Расход топлива газогенератора: расчёт по выходу и теплоте сгорания газа

ALVERJOB / газогенераторы и пиролиз

Расчёты и пояснения

Оглавление · Предметный указатель

GWEB_C0194

Что это даёт на практике

Расчёт показывает требуемую подачу топлива и цену слишком оптимистичного КПД. В учебном установившемся режиме без внешнего подогрева при 100 кВт химической мощности газа и низшей теплоте сгорания топлива 12 МДж/кг рабочей массы снижение КПД по холодному газу с 70% до 60% увеличивает расход с 42,9 до 50 кг/ч, на 16,7%. Такой рост нагружает питатель; полезную мощность потребителя и собственные нужды считают отдельно, по следующему балансу.

Нужно получать заданный расход генераторного газа с известной теплотой сгорания. Сколько для этого потребуется щепы? Сначала вычисляем поток химической энергии газа, затем через КПД газификации определяем энергетический вход топлива и его расход в килограммах в час. Вся арифметика занимает несколько строк. Гораздо больше работы бывает с выяснением того, какую щепу привезли и что именно назвали КПД.

Начнём с границы задачи. Поток химической энергии показывает, сколько теплоты в единицу времени соответствует полному сгоранию заданного расхода газа. Ниже он выражен в киловаттах и рассчитан по низшей теплоте сгорания, то есть без возврата теплоты конденсации воды из продуктов сгорания. Это ещё не мощность на валу двигателя, не выработка электричества и не теплота, фактически переданная потребителю. У каждого следующего преобразования будут свои потери и собственные нужды.

Какие величины делим

КПД по холодному газу связывает химическую энергию произведённого газа с химической энергией израсходованного топлива. Слово «холодному» относится к способу учёта: физическое тепло горячего потока в числитель не добавлено. Сам газ в точке измерения вполне может быть горячим. В руководстве FAO этот подход используется для оценки газификации перед двигательным применением [1].

ηгаз = Pгаз / Pтопл

Pтопл = Pгаз / ηгаз

Здесь P_газ — тепловая мощность, соответствующая сжиганию заданного расхода газа по низшей теплоте сгорания, кВт; P_топл — химическая мощность всего поступающего топлива, кВт; η_газ — безразмерный коэффициент. Семьдесят процентов в формуле записывают как 0,70. Обе мощности считают по согласованной теплоте сгорания: в этой статье по низшей, LHV.

Низшая теплота сгорания не включает тепло, которое можно получить при конденсации водяного пара в продуктах полного сгорания; высшая, HHV, включает. Если у газа взять HHV, а у топлива LHV, отношение окажется завышенным уже из-за способа счёта. Если топливо влажное, его теплоту сгорания и массу берут на одной основе. Килограмм рабочей щепы включает воду и золу; килограмм сухого вещества — другую массу [2, 3].

Отдельно обозначим объёмную низшую теплоту сгорания газа q_газ, в МДж/нм³, и его расход V̇_н, в нм³/ч. Точка над V означает расход, то есть объём за единицу времени. В нашем примере нм³ — объём сухого газа, приведённый к 0 °C и абсолютному давлению 101,325 кПа. Тогда:

Pгаз = V̇н × qгаз / 3,6

Множитель 3,6 появляется из перевода единиц: 1 кВт = 1 кДж/с = 3,6 МДж/ч. Это не поправка на качество газа. Расход влажного газа и теплоту сгорания сухого газа в такую формулу вместе не подставляют. Сначала согласуют основу обоих чисел.

Сначала исходные данные, потом уверенный вид.

Полный пример: от кубометров газа до килограммов топлива

Все числа этого примера заданы условно. Это расчёт для повторения на калькуляторе, а не результаты испытания одного из аппаратов из рассказа ниже.

Исходные данные:

• сухой газ: V̇н = 72 нм³/ч при оговорённых выше нормальных условиях;
• низшая теплота сгорания этого газа: qгаз = 5,00 МДж/нм³ на той же сухой основе;
• КПД по холодному газу: ηгаз = 0,70;
• низшая теплота сгорания поступающего топлива: qтопл = 12,0 МДж/кг рабочей массы, вместе с имеющимися в ней влагой и золой;
• рассматривается установившийся режим без внешнего подогрева; запас топлива и тепловое состояние аппарата за расчётный период не меняются заметным образом.

Число 0,70 встречается и в учебном примере FAO [4], но здесь оно принято как условие, а не как обещание для любой конструкции. Значения 5,00 и 12,0 также заданы для примера. Для проекта их заменяют результатами определения свойств именно тех газа и топлива, расход которых учитывается.

Сначала считаем энергию газа за час:

72 × 5,00 = 360 МДж/ч.

Переводим её поток в мощность:

Pгаз = 360 / 3,6 = 100 кВт

Теперь получаем необходимый химический вход топлива:

Pтопл = 100 / 0,70 = 142,857… кВт ≈ 142,9 кВт

Для перехода к массовому расходу ṁ_топл, в кг/ч, используем ту же рабочую теплоту сгорания q_топл:

ṁтопл = 3,6 × Pтопл / qтопл

Сначала 3,6 × 142,857… = 514,285… МДж/ч. Затем:

ṁтопл = 514,285… / 12,0 = 42,857… кг/ч ≈ 42,9 кг/ч

Обратная проверка замыкает все действия: 42,857… кг/ч × 12,0 МДж/кг = 514,285… МДж/ч; после умножения на 0,70 остаётся 360 МДж/ч газа, то есть наши 100 кВт.

Для предварительного подбора подачи это означает около 43 килограммов рабочей щепы в час при принятых свойствах и режиме. Объём бункера из этой цифры ещё не получается: понадобится насыпная плотность. Предельную производительность питателя тоже не назначают ровно по среднему расходу, если загрузка неравномерная или требуется другой режим.

Что осталось за пределами ста киловатт

В пределах принятого примера химическая энергия топлива за час распределилась так:

514,285… = 360 + 154,285… МДж

Или в мощностях:

142,857… = 100 + 42,857… кВт

Последние 42,9 кВт означают разность между химическим входом топлива и потоком химической энергии выбранного газа. Назвать всю эту разность потерями через стенку было бы удобно, но неверно. В зависимости от границы установки здесь оказываются физическое тепло выходящих потоков, химическая энергия вынесенного углерода и отделённых органических продуктов, тепло, ушедшее в окружающую среду, и другие учтённые по согласованной методике статьи. Часть из них может иметь полезное применение. Одного значения η_газ недостаточно, чтобы разделить остаток по этим статьям.

Полный баланс за один и тот же промежуток времени записывается ещё проще:

Eвх = Eвых + ΔEзап

E_вх — вся энергия, пересекшая принятую границу внутрь; E_вых — вся энергия, пересекшая её наружу, включая теплоотдачу и уходящие материальные потоки; ΔE_зап — изменение запаса энергии внутри. Все три величины выражают в одинаковых единицах, например МДж. В энергию материального потока входят его химическая составляющая и энтальпия относительно принятого состояния отсчёта. При разложении по LHV/HHV отдельно согласуют учёт воды и пара: нельзя дважды вычесть испарение влаги, уже учтённое в рабочей низшей теплоте сгорания топлива.

При пуске нагреваются металл, футеровка и топливный слой, поэтому ΔE_зап положительно. В период охлаждения аппарат отдаёт накопленную энергию. Если измерять газ только во второй период, а топливо учитывать только в первый, можно получить весьма занимательную эффективность.

Подогретое дутьё пересекает границу реактора с дополнительной энтальпией. Для реактора это вход; для установки с собственным рекуператором это внутренний перенос. Тепло соседней печи и энергия электрического подогревателя уже внешние входы выбранной связки. Их учитывают при сравнении всей системы. Определения КПД газификации, газогенератора и станции поэтому и различаются у Равича [3].

Как ошибка превращается в недостающую подачу

Оставим условие P_газ = 100 кВт и q_топл = 12,0 МДж/кг, но зададим η_газ = 0,60. Получим 100 / 0,60 = 166,667 кВт на входе и 3,6 × 166,667 / 12,0 = 50,0 кг/ч топлива. Вместо 42,9 понадобится 50 килограммов в час: увеличение на 16,7%. Это чувствительность к условно изменённому КПД, а не измеренная характеристика малой нагрузки.

Другая проверка: при прежнем η_газ = 0,70 теплота сгорания рабочей партии оказалась 10,0 вместо 12,0 МДж/кг. Расход вырастает до 514,285… / 10,0 = 51,4 кг/ч, на 20%. Увеличится нагрузка на подачу, а при изменившейся влажности ещё и на подготовку топлива. Если одновременно изменился КПД, пересчитывают оба параметра.

На малой нагрузке теплопотери через корпус обычно не уменьшаются пропорционально производительности. Меняются температуры, протекание реакций, выход газа и доля собственных нужд. Поэтому хороший коэффициент с номинального режима нельзя просто перенести на четверть нагрузки. При форсировании ограничением могут стать уже подача, движение слоя и очистка. Число для одного устойчивого режима не заменяет характеристику аппарата во всём рабочем диапазоне.

Небольшой случай из практики

Неподалёку друг от друга работали два одинаковых газогенератора, оба начинали на древесной щепе. Один работал нормально, второй заметно лучше ожидаемого. Его хозяин периодически шутил: «У меня КПД 150 процентов».

Когда удалось разобраться, выяснилось, что рабочие потихоньку добавляли к щепе грязные отходы полиэтилена и полипропилена. Кроме того, большие кучи щепы по просьбе принимавшей стороны увлажняли сточной водой соседнего производства, а затем сушили. Сосед перерабатывал отработанные растительные масла в техническое масло и олифу. После отстаивания в воде оставалась маслянистая фракция, по моим воспоминаниям, около 2–3%. Щепа постепенно пропитывалась маслом.

Хозяин об этих добавках не знал. В загрузке оказались два неучтённых источника энергии: масло и полимерные отходы. Сравнивать установки как работающие на одинаковой щепе было уже неправильно; в тепловом балансе нужно учитывать всё поступившее горючее.

С эксплуатационной статистикой тоже оказалось непросто. Обоих владельцев устраивала прибыль, запасные части покупали и пополняли рабочие, а расходы на замены были небольшими. Достоверную периодичность замен хозяева сообщить не могли, поэтому сравнить ресурс установок по этим сведениям не удалось.

Здесь 2–3% относятся к маслянистой фракции в воде, а не к содержанию масла в высушенном топливе. Сколько воды попало на щепу и сколько масла удержалось, по этому проценту не восстановить. Реплика о 150% была шуткой; измеренного баланса этих двух установок у меня нет. Рассказ объясняет ошибку сравнения и не является рецептом подмешивания отходов: для такой загрузки отдельно пришлось бы исследовать состав, поведение материала, загрязнение газа и условия безопасной работы.

Что измерить до большой установки

Для предварительного расчёта можно принять ожидаемые свойства и диапазон η_газ, как мы только что сделали. Затем нужно понять, какие из этих чисел определяют выбор оборудования. Здесь это рабочая теплота сгорания партии, её реальная подача, выход газа и его химическая мощность в выбранной точке. Ошибка в любом из них способна изменить требуемую производительность на десятки процентов.

Представительная проба топлива сама собой не появляется. Нужны отбор из фактической подачи, фиксация влажности и примесей, сохранение пробы и подходящая лабораторная методика. С газом добавляется пробоподготовка. При охлаждении смолы конденсируются, частицы оседают и прилипают к стенкам. Анализ оставшейся газовой фазы может быть пригоден для определённых постоянных компонентов, но не описывает автоматически исходную смолопылевую нагрузку. Метод отбора выбирают под измеряемую величину; исследование исходных данных входит в работу, а иногда составляет заметную часть её стоимости [5].

После расчёта небольшой испытательный объект нужен, чтобы за согласованные периоды свести подачу, свойства топлива, расход и состав газа, выход остатка и изменение теплового состояния. Программа НИР и ОКР должна захватывать пуск, рабочую, пониженную и допустимую повышенную нагрузку. Так получают не одну красивую цифру, а зависимость, с которой уже можно выбирать подачу и оценивать работу потребителя.

При увеличении аппарата заново проверяют относительные теплопотери, равномерность движения слоя и распределение дутья. Малый стенд не отменяет масштабирование, зато снимает часть неизвестных до изготовления большого корпуса. Выяснять истинную теплоту сгорания сырья и допустимую нагрузку уже на площадке заказчика особенно дорого: своей полной мастерской рядом нет, доступ к узлам ограничен, а от оборудования ждут продукции. Пропущенное исследование тогда легко превращается в годы доводки.

Продолжить чтение

• «Влажность топлива» — GWEB_C0016: согласовать рабочую и сухую массу.
• «Сухой и влажный состав газа» — GWEB_C0089: согласовать анализ и объёмный расход.
• «Подогрев дутья» — GWEB_C0020: посчитать возврат теплоты и не учесть его дважды.
• «Газогенератор как инженерная система» — GWEB_C0001 (вне пакета): перейти к полезному результату и собственным нуждам всей установки.

К оглавлениюALVERJOB

Источники и материалы

Источники

1. FAO. Wood gas as engine fuel, 1986, §2.2.2. Определение эффективности по химической энергии газа и отличие учёта физического тепла. Исторические диапазоны КПД не используются как гарантированные характеристики.
2. FAO. Wood gas as engine fuel, §2.4.2–2.4.3. Теплота сгорания, влажность и массовые основы топлива. Значение 12,0 МДж/кг в нашем примере условное, не перенесено из таблицы свойств древесины.
3. М. Б. Равич. «Тепловые балансы газогенераторов», 1957, печатные с. 4–6 и 11–13. Различение границ КПД и обсуждение погрешности исходных данных. Повреждённые формулы и исторические нормы точности не воспроизводились.
4. FAO. Wood gas as engine fuel, Appendix 2, раздел A. Пример определения химического входа топлива при принятом КПД 70%. В заголовке браузерной страницы встречается Appendix 1, но основной текст страницы озаглавлен Appendix 2. Наши расходы и числа рассчитаны независимо; OCR-ошибки единиц из HTML не перенесены.
5. W. L. van de Kamp и др. Tar measurement in biomass gasification, standardisation and supporting R&D, ECN-C—06-046, 2006. Специализированный отбор и анализ смол/частиц. Не является запретом контейнерного отбора для любых компонентов газа.
6. Случай двух газогенераторов — личный рассказ автора, сохранённый с его границами достоверности. Остальные численные примеры этой карточки условные и к этим двум установкам не относятся.