Сырой и очищенный газ: куда на самом деле делись примеси

Расчёты и пояснения

Оглавление · Предметный указатель

GWEB_C0095

В паспорте очистки написано: «Содержание смолы снижено в пять раз». Звучит убедительно. Но перед аппаратом и за ним могли измерить разные фракции, на разной основе объёма и даже при разной нагрузке газогенератора. Или первые часы смола аккуратно складывалась на ещё чистых стенках. В последнем случае очистка действительно происходила. Только склад для загрязнений оказался частью газопровода.

Поэтому слова «сырой газ» и «очищенный газ» сами по себе мало что говорят конструктору. Нужны точки на схеме, состояние потока и ответ на простой вопрос: сколько именно примеси приходит, сколько уходит с газом и куда направляется остальное.

Что это даёт на практике

Согласованный учёт сырого и очищенного газа показывает оставшуюся нагрузку на потребителя и количество отходов, которые придётся выводить. Цена достоверного сравнения — подходящий отбор проб и учёт загрязнений в газе, жидкости и осадке. Одинаковые определения фракций и основы объёма позволяют отличить устойчивую очистку от временного накопления смолы на чистых стенках; поэтому короткий удачный пуск ещё не описывает обслуживание при длительной работе и смене нагрузки.

У каждой ступени свой механизм

Сырой газ обычно называют потоком до предусмотренной очистки. В нём вместе с газообразными продуктами могут находиться твёрдые частицы, пары органических веществ и капли. Их количество и состояние зависят от топлива, реактора, температуры и режима. Очищенным называют газ после некоторой ступени либо всей цепочки. Где проходит эта граница, надо подписать на схеме.

Рассмотрим возможный тракт: реактор, циклон, горячий фильтр, охлаждение, отделение жидкости, потребитель. Это схема для разбора, а состав оборудования выбирают по задаче.

Циклон использует инерцию частиц. Крупный унос и тонкая пыль ведут себя в нём по-разному. Газообразное органическое соединение не становится твёрдой частицей оттого, что впереди установлен циклон. Поэтому результат удаления пыли нельзя переносить на всё, что лаборатория назвала смолой.

Горячий керамический фильтр задерживает частицы на пористой перегородке и слое осадка. Парообразные соединения проходят через обычный фильтрующий материал вместе с газом. Каталитический фильтр, где дополнительно предусмотрено химическое превращение, требует собственного расчёта и подтверждения активности. Его свойства не принадлежат любому керамическому элементу.

При охлаждении часть паров может сконденсироваться. Получились капли, но из потока они ещё не удалены. Их надо отделить, а жидкость вывести. В мокром аппарате добавляются контакт с жидкостью, растворение некоторых компонентов и захват частиц. После него каплеуловитель решает свою задачу: не дать промывной жидкости вместе с пойманными загрязнениями улететь дальше.

Обычный тканевый фильтр и специальная мокрая фильтрующая схема тоже не взаимозаменяемы. Для сухой ткани липкая конденсирующаяся примесь может оказаться причиной забивания. Отдельные конструкции, где предусмотрены смачивание, дренаж и очистка ткани, нужно рассматривать по их собственному устройству и результатам испытаний.

И ещё остаётся последняя труба. Если газ за очисткой тёплый, а трубопровод до двигателя холодный, место следующей конденсации может находиться уже после контрольного штуцера. Качество для потребителя проверяют там, где оно действительно ему требуется.

Что лаборатория посчитала смолой

«Смола» здесь не одно вещество с одной температурой кипения. Разные соединения распределяются между паром, каплями, частицами и стенкой по-разному. Для выбора очистки важно знать хотя бы характер этой смеси и её склонность к конденсации при ожидаемом охлаждении.

Есть и измерительная сторона. Гравиметрический результат получают по массе остатка после установленной обработки пробы. Хроматографический результат получают по определяемым соединениям. В зависимости от метода лёгкие компоненты могут не войти в остаток, а часть тяжёлых не попасть в перечень надёжно определяемых соединений. Эти показатели нельзя бездумно подменять друг другом или складывать: учитываемые вещества могут пересекаться. Нужны название метода и состав учитываемых фракций, а не только надпись «г/м³».

Для испытания одной ступени выбирают согласованное определение примеси до и после неё. При очень разных концентрациях методика может потребовать разного объёма пробы или подготовки. Сопоставимость и предел количественного определения всё равно должны быть установлены. Запись «не обнаружено» означает результат ниже возможностей данного анализа, а не доказанный ноль.

До анализатора ещё надо довезти пробу

Герметичность ёмкости ещё не обеспечивает сохранность всех компонентов пробы. При остывании могут появиться конденсат и отложения, частицы осесть, а отдельные соединения остаться на поверхности. Если затем взять на анализ одну газовую фазу, получится характеристика изменённой пробы.

При этом контейнерный отбор вполне применим в своей области. Для постоянных газовых компонентов и для конденсируемых органических примесей нужны разные решения. Пригодность ёмкости, материала, времени хранения и подготовки подтверждают для конкретных определяемых веществ и методики.

В описанной в источниках методике отбора смол и частиц предусмотрены зонд и обогреваемый участок отбора, фильтр частиц, улавливание органических веществ в подготовленных поглотителях и измерение прошедшего объёма газа. Учитывают смывы с соответствующих поверхностей. Температуру выбирают по процедуре: преждевременная конденсация теряет часть пробы, чрезмерный нагрев способен её изменить. При отборе частиц и аэрозолей существенны положение зонда и соотношение скорости всасывания со скоростью потока. Иначе крупная и мелкая фракции попадут в пробу в неверной пропорции.

На практике достоверные исходные данные стоят денег ещё до расчёта аппарата. Нужны безопасно доступные точки отбора, подготовленная измерительная цепочка, проверка её герметичности, холостые пробы, расходомеры, расходные материалы, лабораторная работа и повторения. Иногда требуется отдельный выезд на переходный режим. Сэкономить на этом легко. Труднее потом выяснять, почему рассчитанный по «чистому» газу теплообменник оброс смолой.

Сначала приводим концентрации и расходы к одной основе

Покажу расчёт на условных данных, а не на результатах испытания скруббера.

Определяем одну и ту же учитываемую органическую фракцию одним согласованным методом. Химическим превращением этой фракции в рассматриваемой ступени пренебрегаем. Сухой газ в примере не расходуется и не подсасывается извне.

Исходные данные:

• сухой объёмный расход на входе и выходе V̇_с = 800 м³/ч;
• концентрация примеси на входе C_вх,с = 5,0 г/м³ сухого газа;
• концентрация на выходе C_вых,с = 1,0 г/м³ сухого газа;
• объёмы приведены к 0 °C и абсолютному давлению 101,325 кПа;
• мольная доля водяного пара во влажном газе до ступени w_вх = 0,20, после неё w_вых = 0,05.

Доли воды и концентрации здесь заданы. На испытаниях их нужно измерить; знание температуры без проверки насыщения не заменяет измерения воды. Нормальный объём влажного газа ниже используется как расчётный молярный эквивалент. Это не означает, что смесь с такой долей водяного пара физически остаётся газообразной при 0 °C.

Массовый поток примеси:

ṁ = C · V̇ / 1000.

Здесь ṁ — масса примеси за час, кг/ч; C — концентрация, г/м³; V̇ — объёмный расход, м³/ч, на той же сухой или влажной основе и при тех же условиях приведения, что и C. Делитель 1000 переводит граммы в килограммы. Точка над буквой обозначает расход во времени.

На входе:

ṁ_вх = 5,0 · 800 / 1000 = 4,0 кг/ч.

На выходе:

ṁ_вых = 1,0 · 800 / 1000 = 0,8 кг/ч.

Доля примеси, не вышедшей с газом:

η = (ṁ_вх − ṁ_вых) / ṁ_вх.

η = (4,0 − 0,8) / 4,0 = 0,80 = 80 %.

η — безразмерная доля; для записи в процентах её умножают на 100 %. Из газового потока исчезло 3,2 кг/ч учитываемой примеси. Пока мы ещё не установили, ушла ли она в отводимую жидкость или осталась внутри аппарата.

Теперь посмотрим, какие числа получились бы на влажной основе. Для принятой модели идеального газа:

V̇_вл = V̇_с / (1 − w).

C_вл = C_с · (1 − w).

V̇_вл и V̇_с — влажный и сухой объёмные расходы при одинаковых условиях приведения, м³/ч; C_вл и C_с — концентрации той же примеси, г/м³ соответствующего газа; w — доля молей водяного пара во влажной газовой смеси. Капли воды в w не включены.

Входной влажный расход равен 800 / 0,80 = 1000 м³/ч, концентрация 5,0 · 0,80 = 4,0 г/м³. Выходной влажный расход равен 800 / 0,95 ≈ 842,105 м³/ч, концентрация 1,0 · 0,95 = 0,95 г/м³.

Проверка по влажным данным даёт те же массовые потоки:

ṁ_вх = 4,0 · 1000 / 1000 = 4,0 кг/ч.

ṁ_вых = 0,95 · 842,105 / 1000 ≈ 0,8 кг/ч.

А сравнение одних влажных концентраций дало бы 1 − 0,95 / 4,0 = 0,7625, то есть 76,25 %. Это снижение концентрации, а не рассчитанная выше доля удаления по массовому потоку. Влажного газа после конденсации стало меньше.

Если сухой расход тоже изменяется, например из-за утечки, подсоса, растворения компонентов или реакции, его нельзя автоматически принимать одинаковым на обеих сторонах. Для каждой точки нужны свои согласованные C и V̇. Уменьшение концентрации разбавлением само по себе примесь не удаляет.

Чистая стенка умеет изображать очистной аппарат

Для выяснения судьбы примеси нужен баланс за выбранный интервал:

M_вх = M_вых + M_отвод + ΔM_нак.

M_вх — масса учитываемой примеси, поступившая с газом за интервал, кг; M_вых — вышедшая с газом масса, кг; M_отвод — масса той же примеси в реально выведенных жидкости и твёрдом осадке, кг; ΔM_нак — изменение её запаса внутри аппарата и труб, кг. Положительное ΔM_нак означает накопление, отрицательное — освобождение ранее накопленного. Это баланс без химического образования или разрушения выбранной фракции; для реакционной очистки нужны дополнительные члены и иной аналитический контроль.

Возьмём отдельный условный пусковой час: на входе те же 4,0 кг, на выходе 0,8 кг, с жидкостью и осадком выведено лишь 1,2 кг именно учитываемой примеси. Не вся масса грязной воды, а содержащаяся в ней масса этой фракции.

ΔM_нак = 4,0 − 0,8 − 1,2 = 2,0 кг.

За час внутри осталось 2 кг. Кратковременный результат «80 % не вышло с газом» получен, но устойчивый отвод загрязнений ещё не подтверждён. Чтобы при тех же входе и выходе работать без накопления, требуется выводить 3,2 кг/ч этой фракции.

Дальнейший прогрев может испарить часть отложений, изменение скорости сорвать капли, а промывка вынести накопленный материал в жидкость. Поэтому после изменения режима выходная концентрация иногда растёт даже при неизменном входе. У тракта есть собственная история, которую одним анализом не прочитать.

На действующей установке баланс редко сходится до последнего грамма. До поисков «исчезнувшей смолы» оценивают погрешность расходов, анализа жидкости, восстановления отложений и неоднородность режима. Искать неучтённый путь примеси имеет смысл, когда невязка заметно превышает неопределённость измерений.

Какие режимы должны попасть в испытание

Вход и выход желательно измерять в согласованные периоды, учитывая время прохождения газа и отклик аппаратов. Сравнить утреннюю входную пробу с вечерней выходной, когда уже поменялись топливо и нагрузка, недостаточно.

В одном протоколе собирают: точки на схеме и время; партию и влажность топлива; нагрузку; температуру и абсолютное давление газа; расход и условия его приведения; сухую или влажную основу и содержание воды; метод, учитываемые фракции и предел определения; состояние очистки после запуска, промывки или длительной работы.

Пуск показывает, куда садится конденсат на холодном тракте. Малая нагрузка проверяет прогрев и устойчивость контакта газа с жидкостью. Повышенная нагрузка проявляет унос капель, проскок частиц и ограничения пропускной способности. Продолжительный режим нужен, чтобы увидеть рост сопротивления, насыщение промывной жидкости и накопление отложений. Эти испытания решают разные задачи, поэтому один удачный анализ при номинале не заменяет остальные.

От исследования к аппарату, который можно обслуживать

Начинают с требований потребителя: какие примеси и в каком состоянии допустимы, при какой температуре газ дойдёт до места использования. Затем исследуют реальный поток и считают нагрузку на каждую ступень в килограммах за час. После этого уже есть предмет для подбора аппаратов, отвода осадка и жидкостного хозяйства.

На небольшом испытательном узле стоит проверить не только очистку, но и саму измерительную цепочку. Можно сопоставить две точки отбора, восстановить смывы, разобрать доступный участок и увидеть, где набирается запас смолы. По результатам уточняют конструкцию и проводят ОКР с загрязнением и обслуживанием, а не только с новым сухим аппаратом.

При масштабировании сохраняют не просто название ступени. Проверяют распределение потока, скорости, температуру стенок, время охлаждения, дренаж и доступ к загрязняемым местам. У большой установки другая протяжённость труб и другие условия отвода тепла; малый стенд не отменяет этой проверки.

Если исследований и измерений не было, ими приходится заниматься уже на построенном объекте. У заказчика это означает остановки, переделку горячих труб, временные точки отбора и поиск оборудования вдали от своей мастерской. Оплачивается уже не только анализ газа, но и простой всей связанной с ним машины. Поэтому исходные данные и небольшой опытный узел здесь являются частью конструкторской работы, а не приложением к ней.

Продолжить чтение

• GWEB_C0089 — сухой и влажный состав газа: согласование концентраций и расходов.
• GWEB_C0097 — циклон: размер частиц, расход и сопротивление.
• GWEB_C0098 — горячая керамическая фильтрация: частицы, смолы и регенерация.
• GWEB_C0100 — мокрый скруббер: охлаждение, перенос примесей и жидкостный контур.
• GWEB_C0101 — тканевые и специальные мокрые фильтрующие схемы.

К оглавлениюALVERJOB

Источники и материалы

Источники и границы расчёта

• W. L. van de Kamp и др. Tar measurement in biomass gasification, standardisation and supporting R&D. ECN-C—06-046, 2006, разделы об отборе, подготовке и анализе, в том числе с. 67–71 и 125–127: устройство измерительной цепочки и учёт фракций. Конкретную процедуру выбирают по области применимости метода.
• Milne, Evans, Abatzoglou. Biomass Gasifier “Tars”: Their Nature, Formation, and Conversion, NREL, 1998, §IV.A–B, с. 22–24: зависимость результата от определения смолы и способа анализа.
• IEA Bioenergy Task 33. Gas analysis in gasification of biomass and waste, 2018, с. 103–109: практические схемы определения смол и ограничения измерений.
• US EPA. Monitoring by Control Technique — Wet Scrubber for Particulate Matter: контакт частиц с жидкостью, отделение капель и эксплуатационный контроль.
• Расчётные числа в статье условные. Формулы следуют из определения концентрации и материального баланса; эмпирическая эффективность аппарата в них не подставлена.