Термодинамический анализ и исследование механизма слоевой обращенной газификации биомассы : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 01.04.14

Введение ……………………………………………………………………………………………………………………. 4

1. Постановка задачи исследования. Обзор технологий газификации и подходов к их
термодинамическому моделированию ………………………………………………………………………. 13

1.1. Краткая характеристика основных технологий газификации биомассы ……….. 13

1.2. Барьеры коммерциализации технологий газификации …………………………………. 24

1.3. Влияние свойств топлива и режимных параметров на процесс газификации .. 27

1.4. Термодинамическое моделирование процессов газификации ………………………. 41

1.5. Проблемы термодинамической оптимизации параметров газификации ……….. 43

1.6. Метод термодинамического анализа режимов газификации на множестве
расчетных …………………………………………………………………………………………………………. 46

2. Физическое и численное исследование обращенной газификации топлива …………….. 49

2.1. Методики и подходы экспериментальных работ и обработки результатов …… 51

2.2. Материальный и энергетический балансы процесса газификации………………… 55

2.3. Термодинамическое моделирование процесса газификации ………………………… 63

3. Результаты и обсуждение………………………………………………………………………………………. 72

3.1 Газификация древесного угля ………………………………………………………………………. 72

3.1.1. Валидация модели…………………………………………………………………………… 75

3.1.2. Ограничения эффективности …………………………………………………………… 78

3.2. Газификация древесной биомассы ………………………………………………………………. 84

3.2.1. Валидация модели…………………………………………………………………………… 87

3.2.2. Ограничения эффективности …………………………………………………………… 89

3.2.3. Гипотеза о механизме процесса ………………………………………………………. 91

4. Исследование гипотезы о нестратифицированном механизме обращенной
газификации……………………………………………………………………………………………………………… 95
4.1. Методика исслеования зоны сушки и пиролиза в слое топлива ……………………. 97

4.2. Результаты экспериментальных исследований …………………………………………….. 99

5. Исследование конверсии индивидуальных частиц биомассы ……………………………….. 105

5.1. Метод исследования конверсии одиночных частиц биомассы ……………………. 107

5.2. Результаты исследования и их обсуждение ……………………………………………….. 110

Заключение …………………………………………………………………………………………………………….. 118

Список литературы …………………………………………………………………………………………………. 121

Приложение. Справка о возможности использования результатов …………………………… 142

В работе предложен подход для анализа процесса газификации. Он сочетает в
себе элементы равновесного моделирования и эмпирические данные, полученные в
физическом эксперименте. Данный подход позволяет:
1) Единообразно рассматривать разнородные параметры процесса, которые не
учитываются в термодинамических моделях непосредственно (например
геометрические параметры реактора, крупность частиц топлива, абсолютный
расход дутья и др.).
2) Оценивать степень термодинамического совершенства и достижения процессом
предельных показателей.
3) Установить природу ограничений эффективности процесса, указать на влияние
факторов кинетического или термодинамического характера. Данный метод
также позволяет качественно оценить высоту реакционной зоны, дать
информацию о том является ли выбранная высота слоя топлива избыточной или
недостаточной относительной высоты реакционной зоны.
4) Применим в отношении реакторов различного типа и использующих разное
топливо.
Тестирование данного подхода проводилось с использованием данных, полученных при
газификации древесного угля и древесного топлива на маломощном лабораторном
стенде.
Предложенный в работе подход позволил выявить три ограничения
эффективности процессов газификации. Первое ограничение связано с достижением
реакционной системой граничной углеродной линии, оцениваемой термодинамически.
Данной линии соответствует максимальная эффективность процесса. Второе
ограничение связано с движением вдоль углеродной линии. Третье –
стехиометрическое ограничение на образование горючих компонентов газа.
При газификации древесной биомассы экспериментально наблюдался ряд
нетипичных для обращенного процесса явлений: узкая реакционная зона, по высоте не
превышающая 35 мм; малая чувствительность состава газа к расходу воздуха; не
влияющая на выход смолы высота слоя топлива. Эти явления легли в основу гипотезы о
механизме газификации древесины. В соответствии с ней, процесс газификации
протекает в слоях отдельных частиц. При этом стратификация слоя топлива по зонам не
выражена или отсутствует.
Для экспериментальной проверки гипотезы был создан стенд из прозрачного
кварцевого стекла для визуального наблюдения за процессом газификации. Стенд также
позволяет проводить измерение температуры поверхности и центра одной из частиц
слоя, отслеживать ее перемещение вдоль реактора. При малой мощности реактора и
медленном движении в нем топливной массы, установлено формирование в слое
отдельной зоны пиролиза. Увеличение мощности реактора приводит исчезновению
данной зоны. Подобные изменения обусловлены интенсивностью теплообменных
процессов между горячим ядром горения и поступающим в него рабочим топливом.
Для воспроизведения условий горения частиц слоя в области фурм, был
сконструирован и создан стенд для испытания конверсии индивидуальных топливных
частиц. В опытах на данном стенде одиночная частица вносится в нагретое
пространство печи и производится ее обдув через фурму интенсивным потоком воздуха.
Испытано три температуры нагрева печи и ряд скоростей воздуха в интервале от 10 до
150 м/с.
Установлено наличие двухстадийного механизма горения одиночной частицы в
области скоростей воздуха до 20 м/с. На первой стадии процесса происходит выход и
горение летучих веществ из частицы. Поступающий от поверхности частицы
парогазовый поток затрудняет доступ к ней кислорода дутья. На второй стадии данный
поток ослабевает и осуществляется горение коксового остатка.
При скорости воздуха выше 120 м/с, преимущественно реализуется
одностадийный механизм горения одиночных частиц. Интенсивный поток воздуха
достигает поверхности топливной частицы, вызывая горение поверхностного слоя
древесного угля. Стадии выхода летучих из топлива и горения коксового остатка
протекают при этом одновременно. Выдвинута гипотеза, в соответствии с которой
одностадийный процесс характеризуется меньшим выходом смолы, разлагающейся при
фильтрации летучих продуктов сквозь раскаленный поверхностный слой угля.
Направление исследований механизма слоевой газификации обладает
перспективами дальнейшего развития, связанными с дополнительным исследованием
свойств нестратифицированной слоевой газификации, экспериментальными работами
по поэтапному приближению условий горения одиночной частицы к горению частиц в
слое, а также с построением математических моделей изучаемых процессов.