Влияние влажности газифицируемой древесины
При газификации более влажной древесины выходы жидких продуктов значительно уменьшаются, а количество газа, наоборот, растет. При газификации древесины в виде поленьев с повышением влажности снижается качество газа. Так, из еловых дров (метровки) при изменении их влажности в пределах 29 — 43% теплота сгорания генераторного газа уменьшилась с 1540 до 1280 ккал/нм³.
Ухудшение качества газа объясняется резким увеличением содержания в нем СО2 (до 12 — 14%) и уменьшением содержания СО (до 16 — 18%) вследствие значительного понижения температуры в зоне собственно газификации.
В табл. 2 приведены производственные данные, полученные па одной из промышленных газогенераторных станций, работающей на щепе.
Таблица 2
| Относительная влажность газифицируемой щепы, % | Выход газа в пересчете на абс. сух. щепу, нм³/кг | Теплота сгорания газа (высшая), ккал нм³ | Выход жидких продуктов от веса абс. сух. древесины, % | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| летучих кислот (в пересчете на уксусную) | смолы | |||||
| раствор. | нераствор. | всего | ||||
| 15,2 | 1,86 | 1600 | 2,04 | 3,52 | 7,02 | 10,54 |
| 43,5 | 1,82 | 1630 | 2,15 | 4,68 | 7,05 | 11,73 |
| 41,8 | 1,78 | 1660 | 2,31 | 5,30 | 7,32 | 12,62 |
| 38,4 | 1,72 | 1700 | 2,73 | 6,69 | 7,21 | 13,90 |
| 37,4 | 1,68 | 1670 | 2,86 | 8,00 | 7,64 | 15,64 |
| 35,8 | 1,61 | 1680 | 3,22 | 10,13 | 7,42 | 17,55 |
На опытной установке ЛТА при газификации сухой еловой щепы (W = 20%) выход смолы от веса абс. сух. древесины составил 24,7%, а из сырой щепы (W = 52%) — 14%. Выход газа из сырой щепы 1,8, а из сухой 1,5 нм³/кг. На этой же установке производилась газификация осиновом щепы различной влажности со средневзвешенным размером 9,8 — 11,3 мм.
Из рис. 2 видно, что температура газа, выходящего из газогенератора, понижается по мере увеличения влажности щепы.
Рисунок 2
Выходы газа и жидких продуктов в зависимости от влажности осиновой щепы приведены в табл. 3.
За счет уменьшения выхода органических продуктов образуется в среднем 4,2 нм³/кг газа. При газификации более сырой щепы переход углерода древесины в газ увеличится (рис. 3). Здесь же показан относительный переход в газообразные продукты водорода и кислорода, входящих в состав древесины.
Из рис. 3 видно, что оптимальная относительная влажность газифицируемой щепы будет составлять около 25%. Это имеет большое практическое значение.
Рисунок 3
Относительная влажность древесины 25% близка к критической. При влажности щепы ниже критической, как известно, наблюдается уменьшение скорости сушки.
Теплота сгорания газа (высшая) с повышением влажности исходной щепы понижалась с 1380 до 1120 ккал/нм³. Такое же явление происходило при испытаниях промышленных газогенераторов.
На рис. 4 видно, что с повышением влажности щепы тепловой к. п. д. газогенератора по газу и потери тепла заметно увеличиваются, но при этом надает к. п. д. по жидким продуктам.
Рисунок 4
Показатели теплового баланса наглядно подтверждают данные материального баланса.
Результаты аналогичных исследований, проведенных в ЛТА на еловой мелкой щепе, представлены на рис. 5. Закономерность влияния влажности исходной щепы для осиновой и еловой древесины на выход основных жидких продуктов одинакова.
Рисунок 5
В опытах с еловой щепой ясно видно отрицательное влияние влажности щепы на количество образующейся реакционной воды. Увеличение суммарного выхода органических продуктов привело, естественно, к снижению к. п. д. газогенератора по газу (рис. 6)
Рисунок 6
Влагосодержание газа, выходящего из газогенератора, при увеличении влажности щепы резко возрастает (рис. 7).
Рисунок 7
С ростом влажности щепы увеличивается удельный расход воздуха, что неизбежно приводит к повышению выхода газа (см. рис. 5). Ниже приведена зависимость расхода воздуха от влажности газифицируемой еловой щепы.
Относительная влажность щепы, % — 13.5, 15.1, 20, 36, 49, 45, 16,7, 52
Расход воздуха в пересчете на абсолютно сухую шепу, нм³/кг — 0,87, 0,92, 1,035, 1,043, 1,005, 1.085, 1.12, 1,19.
Из приведенных данных видно, что с ростом влажности газифицируемой щепы происходит увеличение выхода газа при одновременном уменьшении количества жидких продуктов и особенно растворимой смолы. В табл. 4 приведены сравнительные данные по пиролизу газогенераторной смолы при 500 °. Из таблицы видно, что растворимая смола по сравнению с нерастворимой (отстойной) менее термоустойчива, так как она дает при пиролизе мало масел, но больше газа и кокса. Древесина обладает низкой теплопроводностью. Поэтому при одинаковых скоростях процесса, по при повышенной влажности щепы для испарения всей влаги нужно нагреть каждый кусок древесины до более высокой температуры, чтобы обеспечить необходимую передачу тепла.
Таблица 4
| Продукты пиролиза смолы | Выход от веса безводной смолы, подвергаемой пиролизу, % | |
|---|---|---|
| растворимая смола | нерастворимая смола (отстойная) | |
| Кокс | 55 | 26 |
| Масло | 7 | 50 |
| Вода | 8 | 6 |
| Газ | 30 | 18 |
При разложении центральных слоев куска древесины выделяющиеся продукты будут встречать на своем пути более нагретую периферийную поверхность, что неизбежно будет вызывать пиролиз этих продуктов и, следовательно, уменьшать их выход.
При исследовании процесса газификации сырой древесины в раскаленной зоне газогенератора находили обугленные снаружи куски с неразложившейся древесиной в центральных слоях. Эти наблюдения наглядно подтверждают, что при газификации сырой щепы должен происходить вторичный пиролиз жидких продуктов, образовавшихся из древесины. Смоляной кокс, получившийся при пиролизе жидких продуктов вместе с древесным коксом, будет газифицироваться в зоне собственно газификации, что повысит удельный расход воздуха на единицу древесного топлива, а следовательно, общий выход газа. Увеличение выхода газа при газификации сырой древесины частично происходит также и за счет швельгаза, образующегося при пиролизе жидких продуктов. Отрицательное влияние повышенной влажности древесины на выход жидких продуктов особенно сказывается при одновременном увеличении размера газифицируемой щепы. В зимнее время, когда влага древесины частично находится в виде льда, выход жидких продуктов также снижается.
Казалось бы, что выделившееся тепло в зонах собственно газификации и пиролиза древесины может обеспечить нормальную работу газогенератора только при
Температура газа, выходящего из газогенератора, при газификации холодной и сырой щепы обычно бывает 75 — 80 °, при этом считается, что генераторный газ насыщен водяными парами. В действительности, как показали исследования, в парогазовой смеси, выходящей из газогенератора, работающего па сырой щепе, иногда более 200 г воды (в пересчете па 1 м³ неконденсируемого газа) находится в капельножидком состоянии. На первый взгляд эти наблюдении противоречат понятиям о насыщенном газе. Однако результаты исследований находятся в полном соответствии с наблюдениями ряда авторов и области аэрозоля. Мельчайшие частицы смолы, находящиеся в газе, являются «центрами конденсации» влаги.
Исходя из изложенного, можно прийти к выводу, что при га¬зификации щепы имеются предпосылки к частичному удалению влаги без затрат тепла на её испарение.
Из табл. 5 видно, что при переработке влажной щепы (W = 57,2:60,7%) интенсивность газификации в пересчете на абс. сух. щепу колебалась и пределах 150 — 200 кг/м² x ч. При высоком общем слое топлива в газогенераторе (2500 мм) слой раскаленного угля в этом случае составлял небольшую величину (160 — 180 мм), тогда как при работе газогенератора па более сухой щепе (W = 35%) высокотемпературная зона достигает примерно 700 мм.
Таблица 5
| Показатели | Опыты | |
|---|---|---|
| 1 | 2 | |
| Относительная влажность газифицируемой щепы, % | 60,7 | 57,2 |
| Интенсивность газификации в пересчете на абс. сух. древесину, кг/м²×ч | 200 | 150 |
| Температура газа в горловине газогенератора, °C | 82 | 80 |
| Высота общего слоя топлива в газогенераторе, мм | 2500 | 2500 |
| Высота раскалённого слоя угля над колосниковой решеткой, мм | 160 | 180 |
| Температура в газогенераторе на колосниках, °C | 940 — 1050 | 860 — 1100 |
На рис. 8 приведены кривые изменения температур по высоте шахты газогенератора при переработке щепы с относительной влажностью 60,7% и для сравнения с влажностью 35%.
Рисунок 8
Исследование проб газа, отобранных из раскаленной зоны газогенератора, расположенной на высоте 100 мм над колосниковой решеткой, показали значительные изменения состава газа при переработке сырой щепы в зависимости от температуры.
Данные табл. 6 указывают на то, что газ, образующийся в зоне газификации при переработке сырой щепы, содержит значительное количество Н2 (до 16,7%). Газ в горловине газогенератора был неустойчив по составу (в объемных %): СО2 — 8÷12; СО — 17÷23; СН4 — 0,5÷2; СnНm — 0,2÷0,6; Н2 — 10÷17; O2 — 0,2÷0,4; N2 — 52÷55.
Таблица 6
| Проба газа | Температура раскалённой зоны, °C | CO2 | CO | H2 | O2 | N2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 844 | 11,3 | 14,6 | 16,7 | 0,2 | 57,2 |
| 2 | 947 | 3,2 | 23,5 | 7,9 | Нет | 65,4 |
| 3 | 1060 | 0,97 | 25,5 | 9.8 | 0,1 | 63,63 |
| 4 | 1150 | 0,6 | 33,0 | 2,8 | Нет | 63,6 |
Примечание: проба 4 отобрана при газификации еловой сухой щепы (W = 35%).
Теплота сгорания газа (высшая) весьма низкая (1100 — 1200 ккал/нм³). Согласно тепловым балансам при переработке сырой щепы (до 60%) газогенератор работает в основном для получения газа и тепловой к. п. д. его по газу имеет очень высокую величину, достигающую 68,4%, по жидким продуктам в этом случае к. п. д. весьма низкий и равняется 16,4%.
