Практический итог
Производительность пиролизной установки заканчивается там, где она получает подготовленный к дальнейшему обращению продукт. Если реторта выдаёт больше горячего угля, чем нижняя зона или отдельный охладитель успевают обработать, увеличение подачи древесины ещё не означает увеличения полезного выпуска. Возникают дополнительный горячий запас, задержки следующих стадий и требования к оборудованию, которые не видны в расчёте одной зоны пиролиза.
У охлаждения две связанные задачи: отвести тепло от угля и, если схема позволяет, передать часть этого тепла полезному потребителю. Первая обязательна для принятой технологической цепочки. Вторая требует подходящего температурного уровня, теплообменного оборудования и совпадения графиков работы. Записать в балансе «рекуперация» проще, чем найти круглогодичного потребителя.
Ниже я рассматриваю охлаждение древесного угля как часть производительности и теплового баланса установки. Для расчёта нужны массовый расход, температурный интервал, теплоёмкость именно этого материала, время пребывания и доступный запас в охладителе. Условный пример связывает эти величины, но не назначает рабочий режим. Температуры в нём не являются разрешением на выгрузку, хранение или контакт угля с воздухом.
Почему нижняя часть реторты влияет на верхнюю
В вертикальной древесноугольной реторте нижняя зона может одновременно охлаждать уголь и подогревать газ, направляющийся вверх. Газ получает физическое тепло твёрдого продукта и присоединяется к основному теплоносителю. В таком исполнении нижняя часть работает как угольный экономайзер: энергия остаётся внутри технологического процесса. Поэтому верхнюю зону разложения и нижний тушильник следует рассматривать совместно.
Такая связь полезна, но создаёт ограничение. При неизменном рабочем объёме и запасе угля увеличение массового выпуска сокращает среднее время его пребывания в зоне охлаждения. Одновременно возрастает требуемая скорость отвода тепла. Поэтому при повышении производительности приходится проверять две разные возможности: хватает ли времени для охлаждения материала и способен ли контур передать возросшую тепловую нагрузку.
Увеличение расхода охлаждающего газа не гарантирует решения. Оно меняет гидравлическую нагрузку, распределение газа и условия смешения с горячим теплоносителем. В связанной схеме изменение нижнего потока влияет на тепловой режим верхней зоны. В историческом описании промышленной реторты отмечены трудности такого согласования при увеличении производительности. Это хорошее предостережение против расчёта, в котором производительность верхней части увеличили, а нижнюю оставили на старом листе.
В одном из описанных исторических производственных случаев после увеличения выпуска ухудшилось охлаждение угля, появились возгорания при последующем обращении с ним. Этот случай показывает последовательность последствий; допустимый выпуск и температуру продукта определяют уже для конкретной современной установки.
Что меняет отдельный охлаждающий контур
Отдельный газовый контур позволяет организовать циркуляцию через зону охлаждения независимо от основного потока реторты. В историческом варианте отдельного контура газ забирает тепло угля, проходит отделение пыли и мелочи, охлаждается и возвращается в нижнюю часть аппарата. Для этого нужны собственные средства циркуляции и отвода тепла. «Отдельный» означает выделенную технологическую функцию, а не отсутствие связей с остальной установкой.
У такого решения есть ясный смысл: ограничение основной газодувки или неудобная взаимозависимость потоков не обязательно должны определять возможности охлаждения. Однако тепло, выведенное в самостоятельный холодильник, уже не возвращается в верхнюю зону прежним путём. В исторической схеме оно отводилось охлаждающей водой. Современная схема может предусматривать другого потребителя, но это будет дополнительное проектное решение, а не автоматическое свойство замкнутой циркуляции.
Здесь я различаю возврат газа и отвод энергии. Газ способен многократно возвращаться в охладитель; энергия при этом должна уходить через теплообменник или другую предусмотренную границу. Если её не отвести, циркулирующий газ нагреется и потеряет часть охлаждающей способности. Сам факт наличия вентилятора ничего не говорит о располагаемой мощности холодильника.
Замкнутая схема сама по себе не исключает попадания кислорода. Состояние уплотнений, соединений, устройств перемещения материала и распределение давления входят в самостоятельную задачу герметичности. Схема ниже показывает только энергетические связи. Она не задаёт состав газа, размещение защит, конструкцию шлюзов или порядок обращения с горячим продуктом.
Тепловая нагрузка начинается с границы расчёта
Сначала выделим только физическое охлаждение сухого угля. Примем, что его масса и состав в выбранной модели не меняются, а реакции и фазовые переходы отсутствуют. Тогда уменьшение удельной энтальпии определяется теплоёмкостью на всём температурном интервале. Для предварительной оценки удобно ввести среднюю по этому интервалу теплоёмкость, а не подставлять случайное табличное значение.
qC = c̄C · (Tin − Tout).
Здесь qC — отводимая от единицы массы энергия, кДж/кг; c̄C — средняя массовая теплоёмкость угля на интервале от Tout до Tin, кДж/(кг·К); Tin и Tout — температуры угля на входе и выходе расчётной границы, °C. Разность температур численно одинакова в кельвинах и градусах Цельсия. Средняя теплоёмкость должна воспроизводить интеграл фактической теплоёмкости по выбранному интервалу.
Для установившегося массового потока соответствующая мощность равна:
PC = mC · qC / 3600.
Здесь PC — мощность отвода физического тепла угля, кВт; mC — массовый расход угля, кг/ч; 3600 — число секунд в часе. Полученные киловатты относятся только к выбранному потоку. Это ещё не полная проектная нагрузка охладителя: в реальном аппарате учитывают газ, влагу, ограждения, изменение запасённой энергии, потери и возможное тепловыделение реакций.
Особенно важно не расширять область применимости измерения теплоёмкости. В экспериментальном исследовании эвкалиптового угля 2020 года значение около 1,017 кДж/(кг·К) получено калориметрическим опытом с образцом древесного угля, нагретым до 70 °C, и водой первоначально около 25 °C. Результат относится к этой методике и низкотемпературному интервалу; постоянную теплоёмкость на всём пути от пиролиза до окружающей температуры из него я не принимаю.
На предварительном этапе можно назначить условную среднюю теплоёмкость и проверить чувствительность результата. Для проекта её следует заменить данными материала в нужном температурном диапазоне, учитывая происхождение, степень термического превращения и состояние образца. Точность трёх знаков после запятой не компенсирует неправильный диапазон измерения.
Условный пример нагрузки и горячего запаса
Пусть через охладитель проходит mC = 300 кг/ч сухого угля. Для арифметического примера зададим Tin = 450 °C и Tout = 50 °C, то есть перепад 400 К. Назначим c̄C = 1,30 кДж/(кг·К) именно как условную среднюю на интервале 50–450 °C. Это самостоятельное допущение примера, а не измеренная характеристика рассматриваемой партии угля.
qC = 1,30 · 400 = 520 кДж/кг.
PC = 300 · 520 / 3600 = 43,33 кВт.
За час уголь отдаёт 156 000 кДж, или 156 МДж; при делении на 3600 с получаем те же 43,33 кВт. Расход относится к сухому углю, а не к исходной древесине. Если известна только подача древесины, сначала нужен её материальный баланс с выходом угля на согласованной базе влажности.
Для оценки циркуляции допустим дополнительно, что всё физическое тепло угля получает газ, а реакции, влага, утечки и потери отсутствуют. Условно назначим нагрев газа от 30 до 130 °C и среднюю теплоёмкость c̄G = 1,10 кДж/(кг·К) именно на этом интервале. Тогда расчётный массовый расход газа mG равен:
mG = 3600 · PC / (c̄G · ΔTG) = 1418,18 кг/ч.
Здесь mG — циркулирующий массовый расход, кг/ч; ΔTG = 100 К — принятый нагрев газа. Проверка даёт 1418,18 · 1,10 · 100 / 3600 ≈ 43,33 кВт. Это оценка переноса энергии в заданной модели, не подбор вентилятора: нужны фактические свойства газа, давление, гидравлическое сопротивление и распределение потока. Массовый расход нельзя прямо подставлять вместо объёмного. Конечные температурные напоры и эффективность контакта проверяют дополнительно; один баланс не доказывает достижимости назначенных температур.
Внутри охладителя газ получает эту энергию, а в идеализированном отдельном теплообменнике отдаёт её дальше. Если обвести общей границей оба аппарата, циркулирующий газ станет внутренним потоком и исчезнет из внешнего энергетического баланса. Считать его нагрев дополнительным источником тепла поверх охлаждения угля означало бы учесть одну энергию дважды.
Теперь примем среднее время пребывания в охладителе τ = 2,0 ч. При установившемся потоке средний запас материала равен:
MC = mC · τ = 300 · 2,0 = 600 кг.
Здесь MC — средняя масса угля внутри расчётной зоны, кг; τ — среднее время пребывания, ч. Если условная насыпная плотность ρb = 200 кг/м³, занятый угольным слоем объём составит VC = MC/ρb = 3,0 м³. Это объём слоя в принятом состоянии, включающий межкусковые пустоты. Он не равен полному геометрическому объёму аппарата: свободные пространства и конструктивные ограничения учитываются отдельно.
Масса в охладителе несёт также запас тепловой энергии. Чтобы показать его оценку, дополнительно примем равномерное распределение массы по температурам от 50 до 450 °C и ту же постоянную расчётную теплоёмкость. Тогда средняя температура запаса Tavg = 250 °C. Относительно условного уровня Tref = 50 °C получим:
EC = MC · c̄C · (Tavg − Tref) = 156 000 кДж = 156 МДж.
Здесь EC — избыточная физическая энергия находящегося в охладителе угля относительно Tref; Tavg — массово-средняя температура в принятой модели; Tref — выбранная температура отсчёта. Равномерное распределение здесь задано специально. По одним только входной и выходной температурам реальное поле температуры и запас энергии определить нельзя.
Совпадение EC со снятой за один час энергией получилось из назначенного равномерного распределения массы по температурам и двухчасового пребывания. Оно не является общей формулой для любого охладителя. При горячем ядре, застойных областях или другой форме температурного профиля запас будет иным. Тепло стенок и прочих элементов в эту величину не включено.
Как проявляется ограничение производительности
Предположим, выпуск угля увеличили до 450 кг/ч, а рабочий запас оставили 600 кг. Среднее время пребывания сократится до 600/450 = 1,33 ч, то есть 80 минут. При прежних температурах и теплоёмкости требуемая мощность отвода тепла вырастет до 65,0 кВт. Таким образом, расход увеличился на 50 %, необходимая мощность тоже выросла на 50 %, а среднее время пребывания уменьшилось на треть.
Если для того же материала и аппарата испытания действительно подтвердили необходимость двух часов среднего пребывания при заданном качестве охлаждения, новый выпуск потребовал бы уже 900 кг рабочего запаса. При назначенной плотности это 4,5 м³ слоя. Но увеличение запаса само по себе не подтверждает достаточной поверхности теплообмена, распределения газа или производительности контура. И наоборот, более мощный холодильник не гарантирует, что тепло успеет выйти из крупных кусков и слабо продуваемых областей.
Среднее время пребывания удобно для баланса, но отдельные частицы проводят в аппарате неодинаковое время. Короткий путь материала или неравномерный сход способны дать недостаточно охлаждённую долю при вполне убедительном среднем значении. Аналогично температура поверхности и температура внутри куска описывают разные состояния. Поэтому проверка производительности должна учитывать распределение и повторяемость, а не только одну среднюю цифру.
Для принятого исходного расхода чувствительность к c̄C = 1,00–1,60 кДж/(кг·К) даёт PC = 33,33–53,33 кВт. Это диапазон условных допущений, а не доверительный интервал свойства. По нему я оцениваю чувствительность предварительного решения и выбираю измерения, нужные до покупки оборудования.
Сколько тепла действительно можно использовать
Из снятых с угля 43,33 кВт не следуют 43,33 кВт полезного тепла у потребителя. Между ними находятся потери, ограничения теплообмена, температурный уровень и график потребления. Тепло, доступное при умеренной температуре, нельзя без дополнительного процесса объявить заменой высокотемпературного нагрева.
Введём для того же условного примера коэффициент передачи ηtr = 0,75. Он означает, что три четверти рассчитанного физического тепла угля достигают выбранной границы потребителя при наличии подходящего температурного напора. Тогда мощность на этой границе Pdel = ηtr · PC = 32,50 кВт. Остальная часть 10,83 кВт в этой упрощённой модели не поступает потребителю.
Пусть за рассматриваемые восемь часов охладитель работает с постоянной нагрузкой, а потребитель может принять 20 кВт только в течение пяти часов. Передать ему за этот период получится 20 · 5 = 100 кВт·ч. Возможная передача при полном востребовании составила бы 32,50 · 8 = 260 кВт·ч, а физическое тепло угля за восемь часов — 346,67 кВт·ч. Разница обусловлена разными границами учёта и несовпадением потребления с доступной мощностью.
Эти числа предполагают, что потребитель действительно принимает энергию при располагаемой температуре. Если температурного уровня недостаточно, даже 100 кВт·ч не подтверждены. Аккумулятор может изменить временное согласование, но требует отдельного расчёта ёмкости, температур и потерь. Электропотребление вентилятора, насосов и другого оборудования следует учитывать отдельно: киловатт электрической мощности нельзя молча вычитать из тепловых киловатт и называть результат универсальной эффективностью.
Кислород и сохранение продукта
Модель физического охлаждения предполагает отсутствие химического тепловыделения. При доступе кислорода это предположение может нарушиться: окисление угля выделяет тепло, меняет массовый выход и способно ухудшить охлаждение. Экспериментальное исследование самонагревания древесного угля 2019 года связывает поведение образцов с температурой и концентрацией кислорода. Конкретные лабораторные условия нельзя превращать в универсальную границу безопасного хранения промышленного слоя.
В экспериментальной работе 2013 года принудительная газовая циркуляция сократила охлаждение одной исследованной кирпичной печи. При этом в работе описаны подсос воздуха, локальное горение и ухудшение результата при одном из вариантов циркуляции. Практический вывод относится к связке теплообмена и герметичности: увеличение движения газа полезно лишь в пределах схемы, где проверены сопутствующие явления.
Та же работа не позволяет обещать безусловное сохранение всех характеристик угля. В итоговых выводах отдельно отмечены различия по истираемости. Поэтому качество следует проверять по нужным продукту показателям, включая образование мелочи и изменение массы, если они значимы для дальнейшего использования. Общая спецификация товарного угля рассматривается в отдельной статье; здесь вопрос уже: что изменилось именно при охлаждении и транспортировании между стадиями.
Что запросить для проверки проекта
Для обсуждения охладителя полезен один согласованный набор данных: расход сухого угля и его колебания, температурные состояния, свойства в нужном диапазоне, гранулометрия и насыпная плотность, рабочий запас, распределение времени пребывания, возможности контура отвода тепла. Отдельно нужны подтверждённые условия дальнейшего обращения с продуктом и критерии завершения охлаждения, установленные для конкретной установки.
В тепловой части следует показать границы баланса, учитывать накопление при изменении режима и различать тепло угля, нагрузку оборудования и энергию, принятую потребителем. В проверке производительности нужно совместно рассматривать реторту, охладитель и следующие стадии. Такой расчёт не заменяет проектирование защит или испытания, зато не позволяет заранее спрятать самое неудобное ограничение в слове «вспомогательное».
Связанные материалы
- Качество товарного древесного угля
- Устройство вертикальной древесноугольной реторты
- Циркуляция газа и возврат тепла
Источники и материалы
Источники и границы применения
- В. И. Корякин. «Термическое разложение древесины», 1962, с. 121–122, 127, 129–130. Раздельный охлаждающий контур, роль угольного экономайзера и связь охлаждения с производительностью. Исторические расходы газа, температуры и размеры не приняты как проектные задания.
- Santos et al. Physical and Thermal Properties of Eucalyptus Wood Charcoal, CERNE, 2020, с. 109–117, методика на с. 111–112, результат измерения на с. 114. Использованы границы низкотемпературного измерения, без экстраполяции результата на горячий уголь.
- I. S. Santos. Resfriamento artificial de carvão vegetal em fornos de alvenaria, Universidade Federal de Viçosa, 2013, с. 64–75. Результаты конкретной печи и ограничения газовой циркуляции; не универсальное время охлаждения.
- Experimental characterization of self-heating behavior of charcoal from eucalyptus wood, Fuel, 2019. Первичное исследование влияния температуры и кислорода в лабораторных условиях; не нормативный критерий выгрузки или хранения.
Все исходные числа расчётного примера назначены условно. Пример исключает реакции, изменение массы, влагу и тепло оборудования; эти исключения ограничивают расчёт, а не разрешают пренебрегать ими в проекте. Схема оригинальная и функциональная.