Влажность топлива: сколько воды мы подаём вместе со щепой

ALVERJOB / газогенераторы и пиролиз

Расчёты и пояснения

Оглавление · Предметный указатель

GWEB_C0016

Что это даёт на практике

Контроль влажности показывает, сколько сухого топлива действительно получает аппарат и какую нагрузку добавляет вода. В принятом учебном примере нагрева и испарения переход с 20% на 40% влажности по рабочей массе при тех же 80 кг/ч сухого вещества добавляет около 24 кВт только на лишнюю воду. Увеличение подачи возвращает сухую массу, но требует запаса питателя и тепла; эти 24 кВт не равны потере электрической мощности или гарантированной экономии от сушилки.

Допустим, газогенератор получал сто килограммов щепы в час и продолжает получать сто. По весам ничего не изменилось, а прежнюю нагрузку держать стало труднее. Прежде чем искать неисправность в аппарате, я бы выяснил, сколько в этих ста килограммах осталось сухого топлива. Весы воду от древесины не отделяют, у них такой обязанности нет.

Разберём это на условных числах. Все расходы и влажности ниже выбраны для расчёта и не относятся к конкретной установке.

Двадцать и двадцать пять процентов одной щепы

В ста килограммах влажного топлива содержатся двадцать килограммов воды и восемьдесят килограммов сухого вещества. Если воду делить на всю поступившую массу, влажность равна 20%. Если на сухой остаток, получится 25%. Оба ответа правильные. Неприятности начинаются, когда один человек пользуется первой записью, другой второй, а в переписке остаётся только число.

Назовём влажность по рабочей, то есть влажной, массе W, а по сухой массе U. Если записывать их долями единицы:

• W = масса воды / масса влажного топлива;
• U = масса воды / масса сухого вещества;
• U = W / (1 − W),а W = U / (1 + U).

Для процентов в этих формулах сначала делим исходное число на сто. Влажность по сухой массе может быть больше 100%: это означает, что воды больше, чем сухого вещества. Физического противоречия здесь нет. Поэтому запись «влажность 40%» без основы расчёта ещё не годится для материального баланса. Эти определения и пересчёт приведены, в частности, в руководстве FAO [1].

Как получить влажность сушкой и взвешиванием

В сушильном методе взвешивают пробу до и после высушивания до постоянной массы. Сушат в лабораторном шкафу по выбранной методике, затем повторными взвешиваниями проверяют завершение сушки. «Постоянная» означает изменение не больше установленного критерия, а не требование, чтобы весы до последнего знака показывали одно число. Например, для твёрдого биотоплива ISO 18134-1:2022 задаёт сушку при 105 °C и контроль постоянства массы; это определение влажности по потере массы, а не выжигание топлива [4].

Посчитаем на условной лабораторной пробе. Обозначим m₀ массу пустой тары, m₁ массу тары с влажной пробой, m₂ массу тары с сухим остатком. Все массы в граммах и приведены к сопоставимым условиям взвешивания. Зададим m₀ = 50,0 г; m₁ = 550,0 г; m₂ = 450,0 г. Размер пробы здесь выбран для арифметики; в испытании его назначают по методу и крупности материала.

Масса влажной пробы: m₁ − m₀ = 550,0 − 50,0 = 500,0 г.

Масса сухого остатка: m₂ − m₀ = 450,0 − 50,0 = 400,0 г.

Потеря массы при сушке: m₁ − m₂ = 550,0 − 450,0 = 100,0 г.

Влажность по рабочей массе: W = 100,0 / 500,0 = 0,20, или 20%.

Влажность по сухой массе: U = 100,0 / 400,0 = 0,25, или 25%.

Тару вычли из обоих знаменателей. Забытый металлический лоток сушку переживёт прекрасно, но влажность в расчёте уменьшит.

Сопоставимость взвешиваний тоже имеет значение. В названном эталонном методе горячее взвешивание сопровождают контрольным пустым лотком для поправки на выталкивающее действие воздуха. Допустим, с сухой пробой горячие весы показали 449,8 г, а одинаковый контрольный лоток изменил показание с 50,0 до 49,8 г. Кажущаяся потеря пробы с тарой равна 550,0 − 449,8 = 100,2 г. Из неё вычитаем поправку 50,0 − 49,8 = 0,2 г и возвращаемся к 100,0 г потери при сушке. Это дополнение к нашему учебному примеру; полный порядок взвешивания, повторов и поправок берут из применимого метода.

До первого взвешивания проба уже может потерять воду при перевозке или на столе. Поэтому важны представительный отбор, сохранение всей пробы в подходящей закрытой таре и защита от изменения влажности. При сушке возможна и потеря летучих органических веществ: не всякое уменьшение массы обязано быть одной водой. Слишком жёсткий нагрев способен уже менять само топливо. Режим выбирают для конкретного сырья; метод для щепы не переносят на уголь, пропитанный материал или необычные отходы только потому, что шкаф свободен [4, 5].

Что на самом деле показывает влагомер

У распространённых щуповых влагомеров результат получают по электрическому сопротивлению между электродами. Диэлектрические приборы используют изменение электрических свойств материала в поле датчика, например ёмкости или потерь. Это косвенное измерение: прибор переводит сигнал во влажность по своей калибровке [5].

Отсюда поправки на вид древесины, плотность и температуру, требования к контакту, глубине измерения и распределению воды. Поверхность после дождя и середина куска могут различаться. Показание обычного щупа для доски относится к области между его электродами. Воткнуть такой щуп в рыхлую щепу и назвать результат средней влажностью бункера не получится: меняются контакт и пустоты, а отдельные куски различаются. Нужны предназначенная для этого материала измерительная ячейка или зонд и подтверждённая калибровка на сопоставимых пробах.

На своём сырье быстрый прибор сверяют с сушильным методом, проверяют его рабочий диапазон и основу показания. Прибор для древесины вполне может выдавать проценты от сухой массы; для поставки топлива обычно нужна рабочая. Быстрый контроль полезен для сортировки и наблюдения изменений, а разбор спорной партии начинается с метода, представительности проб и записанных взвешиваний.

Что изменилось в килограммах за час

Зададим исходные условия: расход первой партии 100 кг/ч, её влажность W = 20%; у второй партии W = 40%. Обе влажности даны по рабочей массе. Состав сухого вещества считаем одинаковым.

При первой партии питатель подаёт 100 × (1 − 0,20) = 80 кг/ч сухого вещества и 100 × 0,20 = 20 кг/ч воды. Если общий расход второй партии оставить прежним, получим 100 × (1 − 0,40) = 60 кг/ч сухого вещества и 100 × 0,40 = 40 кг/ч воды. Сухого вещества стало на четверть меньше, воды вдвое больше. Одновременно изменились две нагрузки на реактор, и одним показанием весов этого не увидеть.

Попробуем сохранить прежние 80 кг/ч сухого вещества. При сорокапроцентной влажности потребуется:

80 / (1 − 0,40) = 133,3 кг/ч влажного топлива.

С ним придёт 133,3 × 0,40 = 53,3 кг/ч воды. Раньше её было двадцать, теперь добавилось ещё 33,3 кг/ч. Питателю, загрузке и зоне подготовки предстоит пропустить увеличенный поток, а реактору где-то взять тепло на эту воду. Простое увеличение подачи вернуло сухую массу, но весь прежний режим этим ещё не восстановлен.

Сухое вещество включает и минеральную часть. Состав сухого вещества мы здесь приняли одинаковым; при смене сырья проверять придётся также зольность и теплоту сгорания. Иначе мы аккуратно сравним два разных топлива и получим столь же аккуратное недоразумение.

Во что обходятся лишние 33 килограмма воды

Посчитаем только нагрев и испарение дополнительной воды. Исходные условия этого шага: добавилось 33,3 кг/ч воды, она поступает жидкой при 20 °C, расчётное конечное состояние — водяной пар при 100 °C, давление около атмосферного.

Для прикидки возьмём среднюю теплоёмкость жидкой воды c = 4,19 кДж/(кг·К). Это количество тепла на нагрев одного килограмма воды на один градус; здесь одним постоянным числом приближённо заменено её изменение на участке 20–100 °C. Среднее получено из разности табличных энтальпий воды, делённой на 80 градусов. Теплота испарения r = 2256 кДж/кг показывает, сколько тепла нужно затем для превращения килограмма воды при 100 °C в пар той же температуры. Обе величины округлены по таблицам NIST/IAPWS-95 [2]; малая поправка энтальпии жидкости на давление в этой прикидке отброшена.

Назовём q теплоту на килограмм воды, в кДж/кг. Разность температур ΔT = 100 − 20 = 80 К; величина температурного перепада в кельвинах и градусах Цельсия одинакова. Тогда:

q = c × ΔT + r.

Нагрев: 4,19 × 80 = 335,2 кДж/кг.

Нагрев вместе с испарением: 335,2 + 2256 = 2591,2 кДж/кг = 2,5912 МДж/кг.

Большая часть расхода тепла возникает именно при переходе воды в пар. Тепловую мощность обозначим Q, в кВт. Сначала умножим дополнительный расход воды на теплоту для одного килограмма:

33,333… кг/ч × 2,5912 МДж/кг = 86,373… МДж/ч.

В часе 3600 секунд, а в мегаджоуле 1000 килоджоулей, поэтому 1 кВт = 3,6 МДж/ч. Получаем:

Q = 86,373… / 3,6 = 23,993… кВт ≈ 24 кВт.

Исходные 20 кг/ч воды требуют по той же модели 20 × 2,5912 / 3,6 ≈ 14,4 кВт, а новые 53,333… кг/ч около 38,4 кВт. Разница и даёт наши 24 кВт.

Это тепловая нагрузка выбранного превращения воды. Она не равна автоматически падению мощности двигателя или прибавке расхода топлива: для этого нужен баланс всей установки. В расчёт ещё не вошли нагрев сухого вещества, перегрев пара выше 100 °C, теплопотери, особенности удаления связанной воды и химические превращения. Само испарение в смеси с газом может идти ниже 100 °C; здесь сто градусов задают удобное конечное состояние для сравнения, а не обязательную температуру сушки в шахте.

Почему дело не заканчивается тепловым балансом

Тепло надо успеть передать внутрь куска. Крупная мокрая щепа и мелкая щепа той же средней влажности высыхают по-разному. Имеют значение путь газа, размеры кусков и время пребывания. Если зона подготовки не справляется, влажное топливо доходит до более горячих участков. Там испарение забирает тепло, которое требовалось для дальнейшего превращения топлива.

В противоточном слоевом аппарате горячий газ снизу может сушить загрузку сверху. В книге Гинзбурга это разобрано на буром угле и торфе: увеличение влажности расширяет потребную зону подготовки, а чрезмерное охлаждение верхней части создаёт условия для конденсации воды и смол [3]. Поэтому совет «добавьте высоты слоя» без разбора теплового режима особенно хорош своей простотой. Осталось выяснить, куда потом пойдёт газ через переувлажнённый верх.

У прямоточного газогенератора другая последовательность контакта потоков. Для него FAO отмечает связь высокой влажности с охлаждением горячей зоны и ухудшением превращения смолистых продуктов [1]. Из этого следует вполне практичная вещь: одинаковая влажность по анализу может по-разному ограничивать две конструкции. Число в паспорте топлива имеет смысл рядом с типом аппарата и задачей потребителя газа.

Устойчивость также зависит от того, как поступает вода. Средние 30% за смену можно получить ровной подачей одной партии, а можно чередованием сухих и мокрых загрузок. Средняя цифра будет одинаковой, тепловые возмущения разными. При разборе скачков температуры нужен журнал поступления партий с учётом задержки их движения до рабочей зоны. Сопоставлять пробу у склада с температурой реактора в ту же минуту обычно преждевременно.

Что проверить раньше изменения режима

После проверки влажности за один и тот же период сводят расход влажного топлива, рассчитанные расходы сухого вещества и воды, нагрузку потребителя, температуры в известных точках и перепад давления по участкам.

Такой набор уже позволяет поставить конкретные вопросы. Сухого вещества стало меньше? Сушка забрала больше тепла? Изменилось распределение потока? Или перепад вырос главным образом в очистке, и обвинять одну щепу пока рано? Если дозирование объёмное, дополнительно нужна насыпная плотность: одинаковые обороты шнека сами по себе не означают одинаковых килограммов в час.

Сравнивать следует и газ на одной основе: сухой или влажный состав, одна точка отбора, согласованные условия расхода. Добавочный пар меняет объём смеси; охлаждение затем выводит часть воды в конденсат. Число кубометров до холодильника и после него ещё не показывает, сколько химической энергии получил потребитель.

Что выяснить на небольшом испытательном объекте

В нашем расчёте расходы и влажности заданы, теплофизические величины взяты из справочника. Для проекта влажность разных частей партии, реальную подачу и изменение сырья при хранении придётся измерить. Отбор и сохранение представительной пробы тоже стоят работы: поверхность штабеля после дождя и его середина могут рассказать две разные истории. Если ошибка вошла уже здесь, точный тепловой расчёт лишь хорошо обработает неверные данные.

После предварительного баланса небольшой испытательный объект нужен для проверки того, успевает ли выбранная фракция высохнуть, как меняются температуры и газ при переходе между партиями и нагрузками, что происходит на пуске. Эти режимы закладывают в программу ОКР вместе с ограничениями оборудования. При увеличении аппарата заново оценивают распределение потоков, время пребывания и теплопотери: они не сохраняют одно и то же отношение к производительности. Выяснять размер зоны подготовки на уже построенном большом объекте у заказчика, без своей мастерской и удобного доступа к переделываемым узлам, гораздо дороже. То, что можно было изменить на опытной машине, там способно превратиться в годы доводки.

Где сушить и чем платить за сушку

Внешняя сушилка в нашем примере должна убрать те же дополнительные 33,3 кг/ч воды, чтобы из 133,3 кг/ч топлива с W = 40% получить 100 кг/ч с W = 20%. Посчитанные 24 кВт дают масштаб задачи при принятых температурах. Реальный подвод тепла определят сушилка, температура выходящих потоков, потери и способ теплообмена. Если имеется пригодное сбросное тепло, его использование может разгрузить реактор, но потребуются также транспорт топлива, вентиляторы и управление сушкой.

При сравнении вариантов нужно провести границу баланса одинаково. Если нижняя теплота сгорания уже дана на рабочую массу с учётом влажности, нельзя ещё раз механически вычитать из неё всю рассчитанную «плату за воду». Наш расчёт выделяет физическую нагрузку сушки; он не заменяет согласованный энергетический баланс.

Итого для выбора топлива полезнее запись «80 кг/ч сухого вещества и 20 кг/ч воды», чем просто «сто килограммов щепы». С неё можно перейти к размерам зоны подготовки, возможностям подачи и доступному теплу. Проценты наконец начинают работать на конструктора.

Продолжить чтение

• «Зольность и плавкость» — GWEB_C0018: что входит в сухую массу и сколько остатка придётся удалять.
• «Сухой и влажный состав газа» — GWEB_C0089: привести анализ и расход газа к одной основе.
• «Подогрев дутья» — GWEB_C0020: откуда можно вернуть часть тепла в процесс.

К оглавлениюALVERJOB

Источники и материалы

Источники

1. FAO. Wood gas as engine fuel, 1986, §2.4.3. Определения влажности и влияние влаги на прямоточную газификацию. Исторические предельные влажности не перенесены в текст как допуски.
2. A. H. Harvey. Thermodynamic Properties of Water, NISTIR 5078, 1998, таблица 1, печатные с. 4–5. Энтальпии воды и пара для проверки округлённых теплофизических величин. Все расходы и расчётные сравнения в статье учебные.
3. Гинзбург. «Газификация твёрдого топлива», 1958, раздел «Влажность топлива», печатные с. 64–65, и начало раздела «Газификация древесины», с. 67–68. Прочитан текст переданного OCR; численные режимы старых аппаратов и рис. 30 не воспроизводятся.
4. ISO 18134-1:2022. Solid biofuels — Determination of moisture content — Part 1: Reference method; прочитанный текст стандарта в открытом образце, разделы 4, 7–8. Сушка до постоянной массы, основа результата и поправка при горячем взвешивании. Учебные взвешивания не являются протоколом испытания по стандарту.
5. USDA Forest Products Laboratory. Wood Handbook, 2010, глава 13, печатные с. 13–1—13–3. Сушильный метод, электрические влагомеры, поправки и влияние распределения влаги. Указания для пиломатериалов не выданы за инструкцию измерения сыпучей щепы.