GWEB_C0030
- Что это даёт на практике
- Что должно произойти с возвращённым потоком
- Как договориться о коэффициенте рециркуляции
- Если смол стало меньше, что именно изменилось
- Когда назад возвращается только тепло
- Условная проверка теплового самообеспечения
- Что наблюдать, когда контур начал работать иначе
- Как разделить исследования и промышленную доводку
- Авторская оценка накопления азота при возврате продуктов сгорания в пиролизный контур
Обратная стрелка на схеме может означать две разные работы. В одном случае газ возвращают в реакционную зону, чтобы изменить судьбу летучих. В другом побочный газ сжигают в топке, а к сырью передают полученное тепло. В первом надо проследить маршрут вещества, во втором — поток энергии. Удачная стрелка ещё не доказывает ни низкого содержания смол, ни работы без внешнего топлива.
В газогенераторе с внутренней рециркуляцией часть потока из пиролизной области направляется в отдельную горячую область превращения. Смысл конструкции — заставить летучие пройти нужный маршрут вместо короткого пути к выходу. Часть циркулирующего потока может содержать и газ из других зон аппарата; поэтому термин «рециркуляция пиролизного газа» не следует понимать как возврат химически чистой фракции.
Что это даёт на практике
Возврат летучих через проверенную горячую зону может уменьшить выход смол, а сжигание побочного газа с передачей тепла процессу — сократить внешнее топливо. Цена решения — дополнительный горячий тракт, отложения и теплопотери; чрезмерный возврат способен ухудшить газификационную эффективность. Выигрыш определяют по массовому выносу смол и тепловому балансу, поскольку снижение концентрации может быть разбавлением. Работа без внешнего топлива зависит от влажности и нагрузки, а пуск требует предусмотренного источника энергии.
Что должно произойти с возвращённым потоком
Полезно последовательно задать три вопроса. Из какой области газ действительно отобран? С чем и как он смешался? Какой температурный путь прошла вся смесь? Если отбор уверенно тянет газ из ближайшего канала, а дальняя часть летучих уходит другим путём, увеличение общего расхода контура может мало помочь.
Смешение с воздухом и последующее окисление меняют температуру и состав. В топливно-богатой смеси кислорода не хватает для полного сжигания всего горючего вещества; часть превращений идёт за счёт тепла. Поэтому высокая температура в одной точке не означает одинаковой обработки всего потока. Для конструктора существенны распределение скоростей, доступное время, тепловые потери и отсутствие обходного пути.
В первичном исследовании описан прямоточный аппарат с отбором газа сверху внутренним инжектором, смешением с газифицирующим воздухом и отдельной камерой горения внутри слоя. Испытания проводили на древесной щепе при подаче 20 кг/ч и влажности 7–9% по сухой основе. Авторы обнаружили две разные границы: недостаточный отбор оставлял проскок летучих, а дальнейшее увеличение циркуляции после достигнутого снижения смол ухудшало газификационную эффективность. Рост теплопотерь связывали с нагревом верхней части аппарата, проверяя температуру стенок. Эта работа показывает, почему максимум расхода контура не равен лучшему режиму. Она не задаёт универсального коэффициента для другой геометрии. [1]
Как договориться о коэффициенте рециркуляции
В разных схемах расход возврата делят на разные величины: на воздух, на продуктовый газ или на сумму потоков. Одно и то же число без определения сравнивать нельзя.
Для условного расчётного примера введём:
R = Qр,н / Qв,н
Qр,н — расход возвращаемого газа; Qв,н — расход воздуха. Оба выражены в м3/ч, приведённых к одинаковым 0 °C и 101,325 кПа абсолютного давления, с одинаково оговорённой основой влажности. В этом примере условно используем сухие объёмы; измерение реального влажного возврата требует соответствующего пересчёта. R — безразмерное отношение, а не доля от всего потока.
Зададим Qр,н = 24 м³/ч и Qв,н = 30 м³/ч:
R = 24/30 = 0,80.
Доля возвращаемого газа в сумме этих двух приведённых входных расходов будет другой:
fр = Qр,н / (Qр,н + Qв,н) = 24/(24 + 30) = 24/54 = 0,4444, или 44,44%.
fр — объёмная доля до реакции на принятой основе. Числа 0,80 и 44,44% описывают те же два потока. Они не определяют состав и объём горячих продуктов после реакции. Заданные расходы нужны только для объяснения учёта и не являются настройками газогенератора.
На испытаниях сохраняют не одну вычисленную R, а исходные расходы, температуры, абсолютные давления и сведения о воде. Тогда можно пересчитать результат и выяснить, изменился ли сам контур или только способ приведения показаний.
Если смол стало меньше, что именно изменилось
Для сравнения нужны состав топлива, его расход и влажность, режим аппарата, место отбора и одна методика определения смол. Конденсируемые вещества представляют смесь, и разные методы могут учитывать разные её части. Проба газа, остывшая по дороге в случайной трубке, может стать чище за счёт осаждения на стенках. Это успех трубки как неучтённого конденсатора, а не доказательство хорошего реактора.
Дополнительно полезно считать массовый вынос. В условном примере до изменения режима измерены 100 мг/м3 смол при 100 м3/ч газа, после — 50 мг/м3 при 200 м3/ч. Все объёмы в обеих строках должны иметь одинаковые температуру, давление и влажностную основу; эффективность отбора считается одинаковой.
ṁсм = cсм × Q
cсм — концентрация, мг/м3; Q — расход, м3/ч; ṁсм — масса смол в час, мг/ч.
До изменения: 100 × 100 = 10 000 мг/ч = 10 г/ч.
После: 50 × 200 = 10 000 мг/ч = 10 г/ч.
Концентрация уменьшилась вдвое, массовый вынос остался прежним. Это иллюстрация возможного разбавления; она не описывает результат рассмотренного выше экспериментального аппарата. Для потребителя концентрация тоже важна, но вывод о превращении смол требует более полного сопоставления потоков и режима.
Когда назад возвращается только тепло
В другой схеме пиролизную смесь охлаждают, собирают жидкость, а оставшийся газ направляют в топку реторты или сушилки. Через стенку аппарата к сырью приходит тепло; газ внутри реторты при этом может вообще не рециркулировать. В исторических лесохимических описаниях предусмотрен и вариант сжигания всей парогазовой смеси, если выделять жидкие продукты не требуется. [2]
Тогда проектировщик выбирает между сохранением жидкого продукта и использованием его химической энергии в обогреве. Это выбор маршрута и хозяйственной задачи, а не бесплатная добавка к выходу. В общем балансе внутренний газ учитывается один раз: он либо покидает границу как продукт, либо расходуется внутри с передачей энергии.
Условная проверка теплового самообеспечения
Возьмём отдельную учебную установку с топкой для побочного газа. Она не является описанным выше рециркуляционным газогенератором. Требуется проверить установившийся режим после прогрева, без внешнего отпуска тепла.
Заданные для расчёта данные:
- доступный топке расход сухого побочного газа Qг,н = 40 м3/ч при 0 °C и 101,325 кПа абсолютного давления;
низшая теплота сгорания Hг,н = 4,0 МДж/м³ на той же сухой объёмной основе;- доля химической энергии газа, передаваемая от топки в реторту и сушилку, ηт = 0,65;
- нагрузка на нагрев сухого сырья и его превращение Pс = 14 кВт;
нагрузка на воду исходной партии Pв = 9 кВт;- потери через наружные поверхности реторты и сушилки Pп = 4 кВт.
Все значения условные. В реальности Qг,н и Hг,н определяют по расходу и анализу газа, нагрузки — по тепловому балансу, ηт — по испытанию топки и передачи тепла. Коэффициент ηт включает потери топки и её дымового тракта, но не включает уже отдельно заданные Pп. Эта граница нужна, чтобы не посчитать одни потери дважды. Физическое тепло горячего газа в этом упрощённом примере не используется.
Поток химической энергии газа:
Pг = Qг,н × Hг,н / 3,6
Pг — тепловая мощность, соответствующая сжиганию заданного расхода по низшей теплоте сгорания; это ещё не фактическая полезная мощность, переданная процессу. Qг,н × Hг,н даёт МДж/ч. Деление на 3,6 переводит их в кВт, поскольку 1 кВт = 3,6 МДж/ч. Поэтому:
Qг,н × Hг,н = 40 × 4,0 = 160 МДж/ч.
Pг = 160/3,6 = 44,44 кВт.
Переданная мощность:
Pперед = ηт × Pг = 0,65 × 44,44 = 28,89 кВт
Потребность:
Pнуж = Pс + Pв + Pп = 14 + 9 + 4 = 27 кВт.
Расчётная разница:
ΔP = Pперед − Pнуж = 28,89 − 27 = 1,89 кВт.
При этих допущениях установившийся тепловой баланс сходится с небольшим положительным остатком. Для обещания самообеспечения запаса мало без оценки неопределённости. Например, при ηт = 0,60 передача составила бы 0,60 × 44,44 = 26,67 кВт, то есть уже ниже потребности на 0,33 кВт. Пять процентных пунктов в предположении о передаче тепла изменили знак результата.
Проверим влажность. Пусть при прежнем расходе сухого сырья добавилось 10 кг/ч воды. Для этой оценки задано qв = 2,6 МДж/кг на её нагрев и испарение до принятого выходного состояния. Это условная интегральная величина для выбранных температур, а не универсальная теплота испарения при любой температуре; перегрев пара и дополнительные потери здесь не добавляются.
Pдоп = ṁв,доп × qв / 3,6 = 10 × 2,6 / 3,6 = 7,22 кВт.
Новая потребность: 27 + 7,22 = 34,22 кВт.
Дефицит при прежнем доступном газе и ηт = 0,65:
34,22 − 28,89 = 5,33 кВт.
В действительности влажность может изменить и выход, и состав газа; они здесь нарочно оставлены постоянными, чтобы выделить цену дополнительной воды. Следующий опыт должен проверить обе стороны баланса. И даже положительный установившийся результат не обеспечивает пуск: до образования побочного газа нужен предусмотренный источник энергии. Электричество приводов и автоматики также учитывается отдельно.
Что наблюдать, когда контур начал работать иначе
Если при той же подаче воздуха уменьшается измеренный возврат, сопоставляют перепады давления между точками отбора и подачи, состояние измерителя и сопротивление тракта. Возможны отложения, изменение распределения слоя или характеристик побуждающего устройства. Это проверяемые гипотезы, а не доказанные отказы исторического аппарата.
Если возврат прежний, а загрязнённость выходного газа растёт, проверяют температурное поле, распределение потока, сырьё и качество отбора проб. Если с увеличением возврата растут температура верхней стенки и теплопотери, следует пересмотреть распределение тепла и изоляцию, а не считать расход контура единственным полезным параметром.
Доступ для осмотра грязных участков, возможность проверки расхода независимым способом и точки температурного контроля нужны до сборки. После монтажа горячего газового контура добавить их значительно сложнее. Смешение горючего токсичного газа с воздухом требует специальных проектных защит и безопасной программы испытаний.
Как разделить исследования и промышленную доводку
Сначала рассчитывают ожидаемые потоки и диапазоны состава. Затем небольшой опытный узел проверяет две отдельные неизвестности: удаётся ли захватить и провести летучие через нужную зону и сколько энергии действительно передаётся процессу. Для первой нужны согласованный пробоотбор, газовый расход и температурное поле; для второй — независимые тепловые потоки, топливо, влажность и потери.
Измерения проводят при рабочей, сниженной и повышенной нагрузке, изменении влажности и предусмотренных переходах. На малой нагрузке контур может попасть в иную область смешения и теплоотдачи; на большой — не захватить весь образовавшийся поток. Отдельно проверяют длительную работу после загрязнения, потому что чистая геометрия и геометрия с отложениями имеют разное сопротивление.
При увеличении аппарата подтверждают распределение отбора по сечению, изменение сопротивления слоя, работу побуждающего устройства и теплопотери новых поверхностей. Масштабный переход не заменяется копированием R. Исследования и расчёт, затем ОКР на небольшом объекте позволяют переделать конкретный узел у себя. Если сразу строить большой объект, эти же неизвестности выясняются уже у заказчика, без полной мастерской и удобного доступа. Такая исследовательская работа под видом пусконаладки легко превращается в многолетнюю доводку.
Авторская оценка накопления азота при возврате продуктов сгорания в пиролизный контур
Козлов и Нимвицкий (1954) рассматривают непрерывную печь с раздельными камерами сушки и обугливания, где древесину нагревают непосредственным контактом с газовым теплоносителем. Для случая, когда при печи отсутствует установка улавливания лесохимических продуктов, они отмечают возможность использовать горючую парогазовую смесь из камеры обугливания в топке отдельной камеры сушки.
Другой вариант — направить часть той же смеси на сжигание в топку камеры обугливания и снова вводить продукты горения в обугливаемую загрузку — авторы обсуждают условно. По их оценке, такой возврат сопровождался бы постепенным обогащением циркулирующей смеси азотом и снижением её теплотворной способности. Они связывают с этим необходимость периодического вывода газов и временного перехода на твёрдое топливо, что затрудняло бы поддержание постоянных условий нагрева.
Это не отчёт об измеренном накоплении азота и не заданная операция продувки: в рассматриваемом фрагменте рассуждение сформулировано как возможное следствие предлагаемого направления потока. Его предмет — именно возврат вещества вместе с дымовыми газами при непосредственном нагреве. Передача теплоты через стенку без смешения потоков или сжигание пирогаза в отдельной сушильной топке не тождественны этому контуру.
Источники и материалы
Использованная информация
Источники и границы
[1] Susanto H., Beenackers A. A. C. M. A moving-bed gasifier with internal recycle of pyrolysis gas, Fuel, 1996. Устройство, эксперимент и ограничения расхода внутренней рециркуляции. Копия статьи. Режимы исследования не назначены новой установке.
[2] Юрьев Ю. Л. «Технология лесохимических производств. Часть 1. Пиролиз древесины», 1997; Ковернинский И. Н. и соавт. «Комплексная химическая переработка древесины», 2006. Юрьев: § 6.4, файловая с. 85, и начало файловой с. 89 электронной PDF-копии — сжигание парогазовой смеси вместо выделения жидких продуктов и использование топочных газов для обогрева реторты и сушилки. Ковернинский и соавт.: с. 187 и 197 — конденсация, дополнительное топливо и наружный обогрев реторты.
Все три численных разбора — условные: определение коэффициента возврата, массовый вынос смол и тепловой баланс. Доля передачи тепла и нагрузка на дополнительную воду заданы явно, а не выданы за справочные константы.
Авторская оценка накопления азота при возврате продуктов сгорания в пиролизный контур
Источник: В. Н. Козлов, А. А. Нимвицкий. Технология пирогенетической переработки древесины. Москва–Ленинград: Гослесбумиздат, 1954, с. 126–127. Время накопления, концентрация азота и режим вывода в данном фрагменте не приведены.