Газообразный теплоноситель может принести тепло в глубину древесной загрузки. Однако наличие горячего газа внутри корпуса ещё не означает равномерной обработки древесины. Поток распределяется по доступным проходам, а проходы меняются вместе с усадкой, разрушением и перемещением кусков. Поэтому внутреннее устройство вертикальной реторты я рассматриваю сразу с двух сторон: как газ проходит через сечение и как твёрдый материал освобождает ему этот путь при движении вниз.
Здесь рассматривается плотная, медленно опускающаяся загрузка с непосредственным контактом с газообразным теплоносителем. Название «движущийся слой» относится к перемещению твёрдого материала. Оно не означает, что газ удерживает частицы во взвешенном состоянии. Здесь речь о взаимосвязи распределения газа, движения древесины и подвода тепла; размеры, конструкция затворов, режим пуска и уставки требуют отдельной проработки.
Что это даёт на практике
Подвод теплоносителя ближе к центральной области может уменьшить преимущественный проход газа у стенок. В рассмотренном устройстве для этого служит кольцевое пространство вокруг внутреннего усечённого конуса. Польза появляется, когда распределитель, укладка и разгрузка совместно обеспечивают обработку всего сечения. Общий расход и средняя температура на выходе этого не доказывают. В условном расчёте ниже один и тот же поток имеет запас явной теплоты 99 кВт, но при распределении 30/70 центральной области достаётся только 29,7 кВт вместо требуемых по условиям примера 49,5 кВт. Увеличивать нагрев до выяснения причины такого перекоса означает лечить местную проблему общим регулятором.
Два потока в одном корпусе
Древесина поступает сверху, занимает рабочий объём и по мере удаления нижнего материала постепенно опускается. Газ имеет собственные места ввода и выхода. Его направление нельзя определять по направлению стрелки древесины: в отдельных участках возможны осевая и поперечная составляющие движения. Для конкретной реторты маршрут восстанавливают от подводящего газохода через отверстия распределения, межкусковые пустоты и сборные пространства до отвода газопаровой смеси.
В плотной загрузке куски соприкасаются и передают нагрузки через контакты; существенную роль играют стенки, форма частиц и местные препятствия. Газ проходит по пустотам. При псевдоожижении характер поддержки и движения частиц другой: возникает режим, в котором газовый поток существенно участвует в поддержании слоя. Лопастная камера, в свою очередь, перемещает материал механическим органом. Применять к этим трём случаям одну картинку «перемешивания» нельзя.
Подача и разгрузка задают обновление твёрдого запаса, но не гарантируют равномерной скорости каждого куска. Материал может двигаться быстрее в одной области, задерживаться в другой, образовывать зависания и после их разрушения проходить порциями. При этом красивый средний расход угля на весах способен сосуществовать с разными температурными историями продукта. Средние значения полезны для баланса; качество распределения приходится проверять отдельно. В описанном варианте «непрерывная» реторта опускает столб порциями при периодической разгрузке. Название технологического процесса не обещает непрерывного движения каждого куска.
Ввод теплоносителя и поперечный путь
Рассмотрим устройство с двумя внутренними конусами. Средний патрубок подводит горячий газ в кольцевое пространство между корпусом и усечённым конусом. Большая часть этого конуса примыкает к стенке, малое отверстие направлено вниз. Газ поступает в загрузку по окружности малого сечения. Следовательно, боковой патрубок здесь не означает, что теплоноситель сразу выпускается в периферийный слой возле стенки: до входа в древесину у него есть распределительный маршрут.
Смысл такого ввода связан с возможной неоднородностью укладки. При центральной загрузке крупные куски могут скатываться к стенкам, а мелкие оставаться ближе к оси. В описанном случае периферия имеет большую порозность и меньшее сопротивление газу. Подвод через меньшую окружность направляет свежий теплоноситель к центральной области; по мере продвижения вверх поток распространяется к периферии. Это объяснение назначения узла, а не доказательство одинаковых расходов во всех секторах. Реальная укладка зависит от древесины и способа загрузки.
Через суженную часть проходит также твёрдый материал. При заданном местном объёмном расходе меньшее проходное сечение означает большую поверхностную скорость газа. Но расход не обязан оставаться одинаковым по высоте: меняются температура, давление и количество газопаровых продуктов. Сравнивать сечения можно только с явным условием о расходе. В районе ввода газ горячее, а относительно холодный материал имеет больший температурный напор к нему; это способствует передаче тепла, но не отменяет ограничений контакта и внутреннего прогрева кусков.
Общий газовый путь со смешением в функциональном представлении, не разрез аппарата. Прямоугольники — области контакта материала и газа, не отдельные сосуды и не герметичные камеры. Серые стрелки показывают опускание твёрдого, газ поднимается навстречу ему. Холодный нижний газ сначала нагревается в области 7 теплом угля, затем приходит к месту смешения 5 с горячим вводом 4; общая смесь продолжает путь через область 3 к выходу 2.
- Поступающая древесина.
- Выход газопаровой смеси.
- Сушка, пиролиз и обработка угля — верхняя область контакта газа и твёрдого.
- Горячий газ среднего ввода.
- Смешение среднего горячего ввода с уже нагретым нижним газом; кружок обозначает функциональную точку смешения, не отдельный смеситель.
- Опускающийся горячий уголь.
- Нижний теплообмен с углём: газ нагревается, уголь охлаждается.
- Вход холодного газа снизу.
- Выход охлаждённого в рассматриваемой области угля; не разрешение на открытую выгрузку.
Синий пунктир условно обозначает начальный холодный газ, сплошная синяя линия — его дальнейший нагретый и затем смешанный поток; реальный нагрев непрерывен. Охристая линия — горячий средний ввод. Конусы на функциональной схеме не изображены и в описанном устройстве не разделяют газовые контуры. Области не задают высоты, габариты, перепады, распределение температуры или равномерность контакта. Это вариант общего пути со смешением, не отдельный замкнутый контур охлаждения.
Холодный газ входит внизу и прежде, чем попасть к горячему вводу, проходит через слой угля. Газ поднимается по межкусковым пустотам навстречу опускающемуся материалу: газ нагревается, уголь охлаждается. К средней области приходит уже нагретый поток. Здесь он смешивается с горячим теплоносителем, после чего общая смесь продолжает путь вверх. Следовательно, смешение происходит после теплообмена с нижним слоем, а не вместо него. Нижняя часть возвращает физическое тепло угля в процесс.
Перегородки между зонами нет. Нижний конус тормозит сход твёрдого, но не изолирует газ. Стрелки показывают предполагаемый маршрут, а не гарантию равномерного контакта: свободный канал, недостаточный запас угля или слишком быстрый сход могут ухудшить охлаждение. Поэтому проверяют распределение температур, движение материала и состояние выходящего угля. Обозначение «охлаждённый» не является разрешением на открытую выгрузку.
В отдельном охлаждающем контуре нагретый газ отбирают из верхней части зоны охлаждения во внешний охладитель. Это другой вариант; на данном рисунке показан общий путь со смешением.
У первого конуса есть механическая цена. Периферийный материал опирается на наклонную поверхность и замедляется; центральный столб над свободным отверстием может сходить быстрее. Поэтому ниже установлен второй конус, вершиной вверх. Он воспринимает часть нагрузки центрального столба, разгружает нижние механизмы и тормозит центральное движение. Его назначение нельзя объяснить только распределением газа: он вмешивается в путь твёрдого.
Для такого узла я разделяю две проверяемые гипотезы: улучшилось ли распределение тепла и выровнялось ли движение древесины. Положительный ответ на первую не даёт автоматически положительного ответа на вторую. Особенно опасно считать среднее время обработки свойством корпуса: один и тот же объём при разных укладках и способах отбора может иметь разное распределение времён пребывания.
В распределительном пространстве желательно малое изменение давления между участками питания по сравнению с перепадами, которые действительно управляют подачей в загрузку. Однако это инженерная цель, а не универсальное требование к числу или размеру отверстий. Входная струя, сопротивление прохода и сопротивление прилегающего слоя действуют совместно. Равные отверстия не обеспечивают равных расходов, если за ними находятся разные по проницаемости области.
Центральный ввод не следует понимать как обещание прогреть центр каждого куска. Он доставляет газ в определённую область сечения аппарата. Затем остаются теплоотдача от газа к поверхности древесины и перенос внутрь частицы. Аналогично, периферийный ввод не равен наружному обогреву через стенку: в первом случае среда входит в поры загрузки, во втором тепло должно пересечь стенку. Это разные пути, даже если на разрезе обе стрелки расположены у корпуса.
При реконструкции особенно важно установить, где газ должен покинуть распределитель. Отверстие, закрытое древесиной или мелочью, и открытый обходной зазор создают совершенно разные условия. Не менее важен обратный маршрут: где собираются пары, не возникает ли короткий проход от ввода к отводу, какую часть загрузки обходит поток. Уменьшение общего сопротивления может оказаться признаком такого обхода, а не улучшением работы.
Разгрузка меняет газовую картину
Связь объёма разгрузочной порции с объёмом горячей суженной зоны позволяет поставить вопрос о выдержке материала между разгрузками. В идеализированном описании малая порция должна препятствовать проскакиванию всей зоны за один съём. Однако условие «порция не больше объёма зоны» само по себе не гарантирует одинаковой выдержки каждого куска. Для такой гарантии потребовались бы определённый характер движения и отсутствие обходных путей, зависаний и последующего обрушения. Использовать это сравнение как современную проектную норму нельзя.
Нижний узел определяет не только количество удаляемого угля. Он влияет на движение вышележащей загрузки, образование полостей и распределение времени пребывания. Если преимущественно отбирается одна область, в ней меняются укладка и скорость обновления; влияние распространяется вверх. Конкретная форма области движения зависит от геометрии и свойств материала, поэтому её нельзя восстановить по одному значению частоты привода.
У древесины и полученного угля различаются размеры, прочность и насыпные свойства. При превращении выделяются газопаровые продукты, изменяется твёрдая масса, возможны усадка и образование мелочи. Поэтому равенство массовых расходов древесины и угля не является условием установившейся работы. Установившийся общий баланс учитывает также воду, пары, газ, унос и накопление. Стабильный уровень загрузки сам по себе не доказывает стабильности её состава.
Практическая проверка движения должна сопоставлять подачу, разгрузку, уровень и пространственные признаки обработки. Если после изменения разгрузки меняется температура определённого сектора, нужно проверить причинную связь с перемещением твёрдого материала, а не сразу перестраивать подачу газа. Распределитель может быть исправен, но работать с уже иной укладкой. И наоборот, равномерная разгрузка не исправляет газовый канал, проходящий мимо большей части древесины.
Затвор и охлаждение выходящего угля рассматривают как отдельные функциональные узлы. Их герметичность и сопротивление могут воздействовать на реторту, но охлаждающий газ не следует автоматически прибавлять к потоку теплоносителя в зоне пиролиза. Сначала надо установить реальные соединения и границы потоков. Открытая стрелка вниз на схеме означает направление продукта, а не допустимость выгрузки горячего угля в атмосферу.
Сечение и порционная разгрузка в числах
Отдельно рассчитаю две величины, непосредственно связанные с конусом. Условный диаметр цилиндрического сечения D = 1,00 м, малого отверстия d = 0,60 м; местный объёмный расход газа в обоих сравниваемых сечениях условно одинаков: Q = 0,20 м³/с. Это модель без изменения температуры, состава и количества газа между сечениями, не параметры описанного аппарата.
A = π × D² / 4 = 0,7854 м²; a = π × d² / 4 = 0,2827 м².
u = Q / A = 0,2546 м/с; uс = Q / a = 0,7074 м/с.
Площади A и a относятся ко всему геометрическому проходу, без вычитания твёрдого. Поэтому u и uс — поверхностные скорости, а не скорости в порах. Их отношение A/a = 2,778; сужение повысило именно эту расчётную величину. Порозность, местное сопротивление и распределение внутри сечения ещё не заданы.
Для самостоятельной модели разгрузки примем занятый насыпью геометрический объём выделенной зоны Vз = 0,30 м³, объём порции Vп = 0,05 м³ и период Δt = 10 мин. Объёмы включают пустоты между кусками. Предполагаются одинаковое состояние материала при учёте обоих объёмов, отсутствие усадки и образования продуктов внутри этой учебной зоны, полное её участие в движении и повторяющиеся порции.
qс = Vп / Δt = 0,005 м³/мин = 0,30 м³/ч.
τном = Vз / qс = 60 мин.
qс — средний объёмный поток насыпи, τном — номинальное время обновления её запаса. Зона содержит шесть объёмов порции; каждый съём соответствует одной шестой запаса. Это счёт объёмов, а не установленное минимальное время любого куска. В реакционной зоне меняются объём и состав, а реальные куски движутся неравномерно; для неё нужны согласованный баланс и исследование распределения времени пребывания. Газовый расход Q в эту формулу подставлять нельзя.
Что именно считать переданным теплом
Современный вариант вертикальной реторты может иметь другую внутреннюю организацию: например, кольцевой распределитель с несколькими вводами в основании зоны карбонизации, отводы сверху и отдельный нижний цикл охлаждения. В таком описании темп опускания задаётся нижней разгрузкой. Это подтверждает необходимость совместного рассмотрения газовых путей и движения твёрдого; характеристики одной конструкции нельзя переносить на другую. Патентное описание сообщает устройство и заявляемое назначение, но не является независимым испытанием равномерности.
Температура на входе показывает состояние теплоносителя, но не его тепловой поток. Для оценки нужны расход, состав и изменение энтальпии. В простейшем случае однофазного газа с неизменными составом и массовым расходом уменьшение его явной энтальпии можно оценить через среднюю теплоёмкость и разность температур. При этом следует назвать участок, к которому относится расчёт.
Для всей реторты выходящий газопаровой поток обычно отличается от входящего теплоносителя: к нему добавляются продукты древесины и влага. Умножить массу входящего газа на температуру смешанного выхода и назвать результат полным теплом пиролиза нельзя. Полный баланс включает все входящие и выходящие потоки с согласованным отсчётом энтальпии, теплопотери и накопление; химическое превращение учитывается выбранной системой энтальпий. Если используют отдельную теплоту реакции, её нельзя одновременно ещё раз включать в энтальпии образования.
Следующий расчёт я намеренно ограничиваю более узкой задачей. Он сравнивает распределение располагаемого охлаждения условного теплоносителя между двумя расчётными областями. Это не расчёт выхода продуктов, температуры угля или мощности топки. Центральная и периферийная области здесь представляют два параллельных пути; их равная условная потребность в тепле задана отдельно и не выводится из площади реального сечения.
Условный расчёт двух областей
Примем установившийся режим учебной модели, без накопления теплоты, утечек и теплопотерь. Для расчёта явной теплоты выбранного теплоносителя зададим постоянный состав, отсутствие фазовых переходов и среднюю удельную теплоёмкость cp = 1,10 кДж/(кг·К). Это условное число, не справочное свойство пиролизного газа. Общий массовый расход ṁ = 0,50 кг/с, температура на входе Tвх = 550 °C, выбранная расчётная температура после охлаждения Tвых = 370 °C. Эти температуры нужны только для арифметики; применять их как режим древесной реторты нельзя.
Разность температур ΔT = 550 − 370 = 180 К. Разность в градусах Цельсия численно равна разности в кельвинах; абсолютную температуру в газовом уравнении состояния так заменять нельзя.
P = ṁ × cp × ΔT.
Здесь P — располагаемая мощность охлаждения теплоносителя, кВт; ṁ — его массовый расход, кг/с; cp — средняя удельная теплоёмкость, кДж/(кг·К); ΔT — заданное охлаждение, К. Проверка единиц: кг/с × кДж/(кг·К) × К = кДж/с = кВт.
P = 0,50 × 1,10 × 180 = 99,0 кВт.
За один час это 99,0 кВт·ч, или 356,4 МДж, поскольку 1 кВт·ч = 3,6 МДж. Расход за тот же час составляет 0,50 × 3600 = 1800 кг/ч. Последнее число относится к циркулирующему или подаваемому теплоносителю, а не к производительности по древесине.
Пусть условно обе области требуют по 49,5 кВт. При равном разделении расхода по 0,25 кг/с каждая располагает Pц = Pп = 0,25 × 1,10 × 180 = 49,5 кВт. Даже такое совпадение балансов не доказывает требуемой скорости теплоотдачи: поверхность контакта и температурные напоры внутри слоя ещё должны позволить передачу.
Теперь зададим неравномерное разделение: доля центрального пути fц = 0,30, периферийного fп = 0,70. Сумма долей равна единице; обе доли безразмерны. При той же общей подаче получаем:
ṁц = fц × ṁ = 0,30 × 0,50 = 0,15 кг/с.
ṁп = fп × ṁ = 0,70 × 0,50 = 0,35 кг/с.
Pц = 0,15 × 1,10 × 180 = 29,7 кВт.
Pп = 0,35 × 1,10 × 180 = 69,3 кВт.
Сумма по-прежнему равна 99,0 кВт. Дефицит центральной области относительно принятой потребности составляет 49,5 − 29,7 = 19,8 кВт, или 40%. Периферийный путь имеет на те же 19,8 кВт больший расчётный запас. Это не означает, что материал обязательно поглотит излишек: фактическая температура выхода, теплоотдача и другие условия изменятся. Без поперечного обмена между областями лишний запас одного пути не устраняет недостаток другого.
Для проверки идеи «прибавим общий расход» сохраним долю центра 0,30 и тот же температурный интервал. Чтобы его располагаемая мощность стала 49,5 кВт, требуется:
ṁнов = 49,5 / (0,30 × 1,10 × 180) = 0,8333 кг/с.
Это увеличение общего расхода на 66,7%. Суммарная располагаемая мощность станет 165,0 кВт, из которых на периферию приходится 115,5 кВт. Таким образом, в заданной модели попытка исправить распределение общей подачей требует существенно большего потока. Она не доказывает, что настоящий аппарат достигнет этих значений: при изменении расхода могут измениться сами доли, выходные температуры, сопротивление, унос и теплоотдача.
Полезный вывод расчёта ограничен и вполне практичен. До увеличения мощности я ставлю вопрос о пространственном распределении потока и потребности загрузки. Для настоящего решения нужны измерения, а заданные здесь доли 30/70 нельзя получать из одного наружного термометра.
Какие наблюдения разделяют причины
Холодная центральная область при горячей периферии допускает несколько объяснений: недостаточную подачу к центру, ускоренное движение центрального материала, иной размер кусков либо недостаточный внутренний прогрев. Сначала проверяют положение датчиков и сопоставимость проб. Затем сравнивают изменения температур с подачей газа, перепадами давления, загрузкой и разгрузкой. Одно наблюдение редко однозначно указывает на одну деталь.
Перепад давления полезно разделять по участкам: газоход, распределение, слой и последующий тракт. Рост общего сопротивления может происходить в отводе или при загрязнении, а не в древесине. Снижение сопротивления слоя допускает появление свободного канала. Для плотного слоя не следует автоматически применять весовое плато кипящего слоя или считать, что перепад равен весу всей загрузки, делённому на сечение: контакты и стенки участвуют в поддержании материала.
Газовый расход всегда привязывают к месту, температуре, абсолютному давлению и составу. Объёмный расход холодного газа после конденсации не равен объёмному расходу горячей смеси в реторте. Разные сечения имеют разные потоки из-за выделения продуктов. Для сравнения опытов предпочтительно сохранять исходные измерения и условия пересчёта, а не оставлять единственное число «кубометров в час» без пояснения.
Проверка перед изменением конструкции
На схеме должны независимо читаться путь древесины, ввод теплоносителя, путь образующихся паров и выход твёрдого продукта. Затем проверяют, не перекрывают ли внутренние элементы движение кусков и где могут скапливаться мелочь или отложения. Возможность очистить и осмотреть распределительные проходы важна не меньше их начальной пропускной способности. Равномерность, достигнутая на чистом аппарате, должна сохраняться в пределах предусмотренного обслуживания.
Сопоставимый опыт фиксирует состав и влажность древесины, размерный состав, подачу и твёрдый запас, работу разгрузки, состав и расход теплоносителя, пространственные температуры, перепады и отбор проб. Менять одновременно древесину, распределитель и темп выгрузки удобно для ремонта, но неудобно для выяснения причины результата. При проверке гипотезы желательно выделить именно тот механизм, который предполагается улучшить.
Горячие исследования требуют подготовленной установки, оценки опасностей горючего газа, пыли, горячего угля и подсоса воздуха, а также согласованных защит и процедур. Учебная схема не задаёт конструкцию герметизации или защитных устройств. Успех внутреннего подвода тепла подтверждается совместно: газ достигает нужных областей, древесина движется предсказуемо, а полученный продукт соответствует задаче. Входной термометр в одиночку такую проверку не проводит.
Связанные материалы
К оглавлениюALVERJOBИсточники и материалы
- Корякин В. И. Термическое разложение древесины. 1962. Печатные с. 118–122, 127: вертикальная реторта, два конуса, периодическая разгрузка; нагрев охлаждающего газа теплом угля и смешение в средней зоне; отдельный охлаждающий контур как другой вариант. Оригинальный рисунок не является конструкционным чертежом для проектирования.
- US20200291300A1. Process and reactor for continuous charcoal production. 2020. Detailed Description, Fig. 1A–1B: газораспределение, нижняя разгрузка и отдельный цикл охлаждения. Первичное патентное описание; заявленные преимущества не приняты за независимо подтверждённые. https://patents.google.com/patent/US20200291300A1/en
- Учебный расчёт автора карточки: баланс явной энтальпии заданного неизменного теплоносителя и условное разделение между двумя областями. Числа не заимствованы из книжной или патентной установки.