Зачем нужен этот случай
Сколько тепла нужно шинному пиролизу, удобнее разбирать на конкретном аппарате: что подали в горелки, что ушло с дымом и что потеряли через горячие поверхности. Именно такой материал даёт PYROMATIC в работе Honus и соавторов 2014 года. Авторы учитывали природный газ отдельно по горелкам, записывали температуры, определяли дымовой расход и рассчитывали теплоотдачу наружу. Получается связь между работой установки и её энергетическими затратами, которую одной теплотой сгорания масла не описать. Во время этой серии печь работала на природном газе. Собственный пиролизный газ авторы предложили возвращать позже, и это различие нужно держать в уме при чтении всех энергетических чисел. [H01]
Если нужен прежде всего жидкий продукт, я бы начал с двух вопросов: сколько масла собрали и сколько внешней энергии для этого подвели. Затем уже стоит смотреть, как меняется теплота сгорания самого масла. Это разные результаты. Режим с наиболее калорийным маслом может дать меньше жидкости, а высокая расчётная эффективность печи ещё не делает его лучшим для производства масла. Поэтому четыре режима PYROMATIC полезны для сравнения внутри этой установки; универсальную температуру шинного пиролиза или готовую схему отказа от природного газа из них вывести нельзя. [H02]
Подготовленное сырьё и его база
Масштаб опыта вполне предметный: в реактор подавали 30 кг измельчённых шин в час, а загрузочный бункер вмещал около 120 кг. Здесь уже можно обсуждать непрерывное перемещение материала и нагрев протяжённой реторты. Но для сравнения со своим сырьём сначала нужно понять подготовку шин. В статье не раскрыты доли легковых и грузовых изделий, удаление металла и текстиля, распределение частиц по размерам. Поэтому 30 кг/ч относятся к использованному подготовленному материалу. Вместимость бункера тоже сама по себе не говорит, сколько длилась устойчивая кампания. [H03]
Состав этого сырья приведён ниже по табл.1 на с.320 / PDF4. При чтении процентов важно знать, к какой массе они относятся: материалу с влагой, сухому материалу или сухому без золы. Источник не согласует эти базы отдельными подписями, поэтому здесь оставлены опубликованные числа без догадок о пересчёте. [H04]
| Показатель | Значение, % | Указанный метод |
|---|---|---|
| C | 85,40 | ČSN P ISO TS/12902 |
| H | 7,57 | То же |
| N | 0,48 | То же |
| S | 0,44 | То же |
| O | 0,01 | То же |
| Влага M | 1,71 | ISO 11722 |
| Фиксированный углерод FC | 23,03 | ISO 5071-1 |
| Летучие V | 70,86 | ISO 562 |
| Зола A | 6,11 | ISO 602 |
В этой таблице есть два разных углеродных показателя. Элементный анализ сообщает содержание самого элемента C, а фиксированный углерод относится к техническому анализу топлива. Сложив их, мы посчитали бы разные характеристики одной пробы как отдельные потоки. Для полного баланса элементов установки понадобилась бы ещё согласованная аналитическая база, которой здесь нет. [H04]
Реактор и разделение потоков
Путь твёрдого материала помогает понять устройство PYROMATIC, разработанного в VŠB–Technical University of Ostrava. Сначала конвейер подаёт измельчённые шины в бункер, затем загрузочный шнек вводит их в реторту. Её активная длина составляет 4000 мм. Внутри два основных шнека диаметром 210 мм перемещают материал вперёд; вторичный шнек диаметром 110 мм возвращает его к входной части. После этого твёрдый продукт поступает в герметичный бак. Между неподвижной загрузочной частью и ретортой стоит компенсатор: при нагреве реторта перемещается, и соединение должно воспринимать эти перемещения. Для самой реторты указана сталь AVESTA 253 MA, EN 1.4835. Это реальные размеры и материал данного пилота, а не рекомендованные размеры любой шинной установки. [H05]
Нагрев организован снаружи реторты. Печь разделена на пять последовательных секций, в каждой стоят две низконапорные атмосферные горелки. Максимальная мощность секции равна 40 кВт, всей печи 200 кВт. Эти 200 кВт описывают возможности печи; фактический подвод в опытах приведён дальше и был другим. Горелки сжигали природный газ, а тепло проходило к шинам через стенку. Поэтому дымовой тракт и продуктовый парогазовый тракт нужно рассматривать раздельно. Воздух поступал через нижние отверстия; его подачу меняли дросселированием либо частотой вращения дымососа. [H06]
Из реторты пары и газ направлялись в циклон, затем в холодильники. Там собирали жидкость, а оставшийся газ накапливали отдельно. Для оценки выхода масла важна вся эта цепочка: образовавшиеся пары ещё требуется уловить. Статья не раскрывает температуры и нагрузки отдельных холодильников, эффективность сбора аэрозоля, отделение воды и сероочистку. Циклон отделяет частицы; по одному его наличию нельзя судить об удалении H₂S или пригодности полученного газа для выбранной горелки. [H07]
Рисунок 1. Новая функциональная компоновка по Honus2014, с.318–319 и 325, рис.1–2. Это не копия геометрии исходного рисунка и не рабочий чертёж. Пунктирный возврат собственного газа обозначает предложение авторов, а не измеренный опыт на этом топливе. [H05–H07, H22]
Режим и адрес температуры
Авторы сравнили четыре температуры процесса: 500, 550, 600 и 650 °C. Во всех пяти секциях стояли термопары K11313, по их сигналам горелки включались и выключались. Для практического чтения здесь важно место измерения: мы знаем обозначенный авторами режим, но не получаем отдельно температуру каждой частицы, стенки реторты и паров. Полного продольного профиля тоже нет. Поэтому дальше 500–650 °C означают именно четыре опубликованных процессных режима. [H08]
Твёрдый материал проходил основную часть за 30 мин, вторичную за 15 мин. Это помогает представить движение шин внутри шнековой реторты, но ничего не добавляет к неизвестному времени пребывания паров. Для повторения режима также потребовались бы давление, инертная продувка, содержание O₂, время выхода на режим и длительность устойчивой работы. Эти числа, как и энергия пуска, не опубликованы. Указанные далее 30 мин учёта электричества описывают лишь интервал этого учёта. [H08]
Масло, газ и углеродистый остаток
Табл.2 на с.324 / PDF8 даёт следующие массовые распределения. Ряды не перенормированы. [H09]
| Температура процесса, °C | Газ, мас.% | Углеродистый остаток, мас.% | Жидкость, мас.% |
|---|---|---|---|
| 500 | 30,1 | 31,3 | 38,6 |
| 550 | 24,1 | 36,1 | 39,8 |
| 600 | 26,5 | 41,0 | 32,5 |
| 650 | 26,5 | 41,0 | 32,5 |
Если смотреть только на собранную жидкость, наибольшая опубликованная доля приходится на 550 °C: 39,8%. При 500 °C она равна 38,6%, то есть разница составляет 1,2 процентного пункта. Повторностей и погрешностей нет, поэтому такой небольшой разрыв пока нельзя считать доказанным преимуществом режима. При 600 и 650 °C указано уже по 32,5%. Газовая доля в самой таблице меняется немонотонно, хотя текст статьи описывает её рост более обобщённо. Для численного сравнения здесь сохранён табличный ряд. [H09]
Каждая строка складывается в 100%, однако для проверки сбора этого недостаточно. Нужно знать, как независимо определяли газ, учитывали недоуловленные пары и продукт, оставшийся в оборудовании. Подробной методики этих поправок статья не даёт. Поэтому таблица описывает опубликованное распределение продуктов, а не доказывает полное замыкание независимо измеренного баланса. Название «жидкость» также не подтверждает, что продукт уже обезвожен, освобождён от механических примесей и готов к продаже. [H10]
Что измеряли в газе
Содержание H₂, CH₄, CO, CO₂ и суммарного органического углерода контролировали анализаторами. Углеводороды дополнительно исследовали лабораторной хроматографией Chrom5 с термокондуктометрическим и пламенно-ионизационным детектированием; пробы транспортировали в газонепроницаемых мешках Nalophan. Теплоту газа вычисляли из объёмных долей горючих компонентов, а не определяли непосредственной калориметрией потока. Локатор: с.320, §3.1. [H11]
| Компонент, об.% | 500 °C | 550 °C | 600 °C | 650 °C |
|---|---|---|---|---|
| H₂ | 12,4 | 13,3 | 22,2 | 28,3 |
| CO | 2,8 | 3,7 | 3,1 | 2,9 |
| CO₂ | 2,4 | 2,3 | 1,9 | 1,4 |
| CH₄ | 17,9 | 19,8 | 29,2 | 4,6 |
| C₂H₄ | 3,0 | 3,9 | 4,0 | 5,2 |
| C₂H₆ | 4,4 | 4,7 | 4,9 | 6,3 |
| ΣC₃Hᵧ | 5,6 | 5,2 | 5,4 | 7,0 |
| ΣC₄Hᵧ | 4,2 | 3,6 | 3,7 | 4,8 |
| ΣC₅Hᵧ | 4,5 | 2,4 | 2,5 | 3,2 |
| ΣC₆Hᵧ | 0,8 | 1,0 | 1,1 | 1,4 |
| Сумма перечисленного, наш расчёт | 58,0 | 59,9 | 78,0 | 65,1 |
| Нераспределённый остаток до 100%, наш расчёт | 42,0 | 40,1 | 22,0 | 34,9 |
Источник: табл.3, с.324 / PDF8; две последние строки получены сложением и вычитанием опубликованных значений. Это не безазотный состав. Авторы относят неизмеренный остаток к таким компонентам, как N₂, SO₂ и H₂S, но распределения между ними не дают. Влажная или сухая база не обозначена, численная нормальная температура и давление для объёмов не раскрыты. Присвоить весь остаток азоту или восстановить полный горючий газ по сумме известных компонентов нельзя. Группы C₃–C₆ не раскрыты по отдельным веществам, что дополнительно ограничивает воспроизведение точной теплоты сгорания. Общее утверждение авторов, что названные остаточные компоненты не влияют на теплоту газа, здесь не принимается: в частности, отсутствие измерения H₂S оставляет и энергетическую, и серную неопределённость. [H12]
Теплоты сгорания и конфликт подписей
Для масла измеряли элементный состав на NA1500, затем по правилу Дюлонга рассчитывали низшую и высшую теплоты. Для твёрдого остатка использовали лабораторный калориметр по CSN EN15400. Значения и подписи табл.4 нужно рассматривать совместно, поскольку источник содержит внутреннюю ошибку маркировки. [H13]
| Строка табл.4 в исходном обозначении | Единица источника | 500 °C | 550 °C | 600 °C | 650 °C |
|---|---|---|---|---|---|
| Gas, Net Calorific Value | кДж/м³N | 31 136 | 28 749 | 33 846 | 31 790 |
| Gas, Lower Calorific Value | кДж/м³N | 33 944 | 31 380 | 37 089 | 34 679 |
| Semicoke, тот же блок Lower | кДж/кг | 29 718 | 30 420 | 30 319 | 30 906 |
| Oil, тот же блок Lower | кДж/кг | 45 696 | 41 787 | 39 689 | 38 331 |
Источник: с.326 / PDF10, табл.4. Большая из двух газовых величин подписана Lower, хотя в тексте и строках химической мощности она рассматривается как gross, то есть GCV. Числа сохранены, но ошибочная подпись не превращена в однозначную LHV-базу. Для масла аннотация и основной текст сообщают максимум 42,7 МДж/кг, тогда как таблица при 500 °C даёт 45,696 МДж/кг. Среднее четырёх табличных величин масла равно 41,376 МДж/кг, тогда как текст называет 40,6; опубликованная мощность масла при 500 °C арифметически использует именно 45,696. Для газа в разных местах также встречаются МДж/кг и МДж/м³N. Использовать эти расхождения как взаимозаменяемые данные нельзя. [H14]
Ни высокая теплота масла, ни его элементный состав не заменяют фракционную кривую, воду, вязкость, устойчивость при хранении и серный анализ готового продукта. Таких согласованных характеристик полученных масел эта работа не даёт. [H13–H14]
Как получен тепловой баланс
Теперь можно пройти по теплу в том же порядке, что по установке. В §4 авторы проводят границу основного расчёта по дымовому тракту: природный газ сгорает, часть тепла передаётся к реактору, часть уходит с дымом и через наружные поверхности. Топливо и воздух приняты поступающими при температуре окружающей среды, поэтому их физическое тепло в этой базе опущено. Расход газа по каждой горелке записывали раз в минуту, а мощность определяли умножением расхода на низшую теплоту сгорания. Это логика расчёта; конфликт напечатанной расходной строки разобран отдельно ниже. [H15]
Дымовой расход определяли по динамическому и статическому давлению трубкой Прандтля с цифровым микроманометром. Измерение выполняли в вертикальном участке трубы за дымососом; там же измеряли O₂ для оценки избытка воздуха. Температуру записывали каждую минуту. Средние дымовые температуры для четырёх режимов равны 303, 340, 356 и 396 °C. Теплоёмкость смеси рассчитывали по компонентам и стехиометрии. Потери химической энергии из-за CO и углеводородов авторы сочли незначимыми, но численного протокола их остаточного содержания нет. [H16]
С потерями через поверхности цепочка другая: сначала измеряли температуру изоляционных секций, затем рассчитывали отдаваемое тепло. Для конвекции использовали Nu, Gr и Pr с поправками на положение поверхности, для излучения учитывали температуру, площадь и эмиссионные свойства. То есть измерения здесь служат входом в инженерную модель. Это полезная оценка потерь данного аппарата, но все её строки нельзя назвать непосредственно измеренными тепловыми потоками. [H17]
Внешняя энергия и физические потери
| Показатель | 500 °C | 550 °C | 600 °C | 650 °C |
|---|---|---|---|---|
| Природный газ: подведённая мощность, кВт | 40,20 | 58,27 | 69,75 | 79,69 |
| Электричество за 30 мин, кВт·ч | 1,37 | 1,72 | 1,82 | 1,93 |
| Средняя электрическая мощность, наш пересчёт, кВт | 2,74 | 3,44 | 3,64 | 3,86 |
| Уходящий дымовой расход, м³N/с | 0,0284 | 0,0412 | 0,0495 | 0,0566 |
| Тепло с уходящим дымом, кВт | 7,99 | 13,20 | 16,47 | 21,45 |
| Излучение печи, кВт | 2,37 | 2,84 | 3,37 | 3,84 |
| Конвекция печи, кВт | 2,67 | 3,21 | 3,83 | 4,35 |
| Излучение циклона, кВт | 2,70 | 3,24 | 3,83 | 4,47 |
| Конвекция циклона, кВт | 2,95 | 3,44 | 3,93 | 4,44 |
| Сумма поверхностных потерь, кВт | 10,70 | 12,73 | 14,96 | 17,09 |
| Опубликованная тепловая эффективность, % | 53,5 | 55,5 | 54,9 | 51,6 |
Источник: табл.4, с.326 / PDF10. Средняя электрическая мощность вычислена делением энергии на 0,5 ч; она не является отдельным измерением мощности. Охват электрического учёта подготовкой сырья, насосами охлаждения и прочими вспомогательными операциями подробно не установлен. [H18]
Расчёт эффективности можно проверить прямо по таблице. Из мощности горелок вычитаем тепло уходящего дыма и суммарные поверхностные потери. Остаются 21,51; 32,34; 38,32 и 41,15 кВт. Если разделить эти остатки на соответствующую мощность горелок, получатся опубликованные проценты с округлением. Так видно, что именно авторы называют эффективностью. Электричество в её знаменатель не входит. Остаток также нельзя приписать одной пиролизной реакции: отдельно не замкнуты физическое тепло продуктов, накопление тепла, охлаждение, электрические затраты и неопределённость модели. Для полного КПД линии нужна более широкая граница учёта. [H19]
Рисунок 2. Собственный график по табл.2 и 4 Honus2014. Электрическая мощность рассчитана из энергии за 30 мин. Выход масла имеет отдельную шкалу; он не складывается с тепловыми потоками. График не изображает замкнутый энергобаланс всей линии. [H09, H18–H19]
Строка расхода природного газа, которую нельзя использовать без исправления источника
В той же табл.4 объёмный расход природного газа напечатан как 0,0432; 0,0669; 0,0814 и 0,1004 м³N/с. При делении соседней горелочной мощности на этот расход получаются подразумеваемые теплоты около 0,931; 0,871; 0,857 и 0,794 МДж/м³N. Это внутренняя проверка несовместимости строк, а не новые свойства природного газа. Исходник не позволяет доказать, ошибочны ли размерность, десятичный знак или сама строка. Значения сохранены в численном приложении с блокировкой проектного использования; они не исправлены догадкой на минуты, часы либо другие единицы. [H20]
Собственный газ: сколько энергии опубликовано и что ещё не испытано
Табл.4 содержит следующие продуктовые расходы и химические мощности. Они характеризуют сохранённую энергию продуктов, а не тепло, непосредственно возвращённое в печь. [H21]
| Показатель | 500 °C | 550 °C | 600 °C | 650 °C |
|---|---|---|---|---|
| Сырьё, кг/с, как округлено в таблице | 0,0083 | 0,0083 | 0,0083 | 0,0083 |
| Пиролизный газ, м³N/с | 0,0018 | 0,0023 | 0,0021 | 0,0028 |
| Char, кг/с | 0,0026 | 0,0030 | 0,0034 | 0,0034 |
| Масло, кг/с | 0,0032 | 0,0033 | 0,0027 | 0,0027 |
| Газ, мощность NCV, кВт | 55,76 | 64,94 | 69,62 | 88,72 |
| Газ, мощность GCV, кВт | 61,10 | 72,17 | 77,89 | 97,10 |
| Char, мощность GCV, кВт | 77,27 | 91,26 | 103,08 | 105,08 |
| Масло, мощность GCV, кВт | 146,23 | 137,90 | 107,16 | 103,49 |
Округлённые 0,0083 кг/с соответствуют 29,88 кг/ч, а описание установки задаёт 30 кг/ч. Эти представления не следует смешивать при точном нормировании. [H21]
На режиме 600 °C хорошо видно, зачем различать низшую NCV и высшую GCV теплоту сгорания. На энергетическом рисунке рядом стоят около 77,9 кВт в собственном газе и около 69,8 кВт природного газа. При беглом чтении кажется, что собственного газа достаточно с запасом. Однако первое число относится к GCV, а горелочный подвод рассчитан по NCV. При одинаковой базе NCV получаем 69,62 кВт собственного газа против 69,75 кВт внешнего подвода. Уже это сравнение не показывает запаса, а электричество и пуск остаются за его пределами. [H22]
На рис.2 возможный возврат газа обозначен пунктиром. Авторы обсуждают техническую возможность самообеспечения, но отдельного испытания на собственном топливе здесь нет: не приведены протокол переключения горелок, фактический расход сожжённого пирогаза или char, состав газа после очистки и эффективность его сжигания. Поэтому следующий практический шаг состоял бы в проверке именно этого перехода. По опубликованной серии можно сформулировать задачу такого опыта, но нельзя считать переход уже выполненным. [H22]
Что даёт этот опыт для жидкостного направления
Для жидкостного направления ценность этой работы в том, что режимы связаны одним аппаратом и одной системой учёта. С ростом температуры увеличивались внешний подвод и потери, а после 550 °C опубликованная доля собранной жидкости уменьшалась. Поэтому я бы оценивал изменение режима по целевому продукту: дополнительный газ и его химическая энергия могут быть интересны для нагрева, но одновременно нужно видеть, сколько масла при этом остаётся. Эффективность топочной части и выход жидкости отвечают на разные вопросы. [H09, H18, H21]
Перед переносом на другую конструкцию я бы в первую очередь уточнил ошибочную строку расхода природного газа и привёл энергетические показатели к единой NCV/GCV и газовой базе. Затем нужны независимые массовые измерения, тепло конденсации, пусковой цикл, длительность работы и реальные расходы вспомогательного оборудования. Именно эти сведения позволят перейти от сопоставления опытов к оценке собственной линии. Пока PYROMATIC служит измерительным ориентиром внешне нагреваемого пилота: статья не делает природный газ обязательным топливом и не доказывает, что от него уже отказались. Проектирование, защита и испытание новой установки остаются самостоятельной работой. [H23]
Использованная информация
Источник
[HEATS01] Honus S., Sassmanová V., Frantík J., Bukowski P., Juchelková D. Energy Balance Sheet of a Semi Operational Thermic System. Chemical and Process Engineering, 2014, 35(3), 317–329. DOI: 10.2478/cpe-2014-0024. Полный первичный PDF издателя. Основные локаторы: с.318–323, табл.1–4 и рис.1–2. Первичный PDF и его растры используются только как рабочие доказательства; включённые схемы и графики созданы заново.