Organic mass plasma gasification investigations were carried out for nitrogen and air media in plasma reactor. Thermo­dynamic calculations were made for different regimes. The calculations were checked experimentally with plasma reactor.Проведены исследования в области газификации органической массы для азотной и воздушной среды в плазменном реакторе. Выполнены термодинамические расчеты различных режимов работы реактора. Про­ ведено сравнение экспериментальных и расчетных данных

A. Liavonchyk I.

H. Dalholenka V.

V. Sauchyn V.

А. Леончик И.

В. Савчин В.

Г. Долголенко В.

A. I. Liavonchyk

V. V. Sauchyn

H. V. Dalholenka

А. И. Леончик

В. В. Савчин

Г. В. Долголенко

Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Physical-Technical Series / Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

79ВЕСЦІ НАЦЫЯНАЛЬНАЙ АКАДЭМІІ НАВУК БЕЛАРУСІ № 2 2014СЕРЫЯ ФІЗІКА­ТЭХНІЧНЫХ НАВУКУДК 504.064.4А. И. ЛЕОНЧИК, В. В. САВЧИН, Г. В. ДОЛГОЛЕНКОГАЗИФИКАЦИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ЭЛЕКТРОДУГОВОМ ПЛАЗМЕННОМ РЕАКТОРЕ  В АТМОСФЕРЕ ВОЗДУХА И АЗОТАИнститут тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси(Поступила в редакцию 15.12.2013)Введение. Одним из наиболее перспективных способов утилизации органических отходов является их плазменно­термическая переработка. Помимо преимуществ с экологической сторо-ны утилизация ряда органических отходов может быть экономически выгодна. Для этого необ-ходимо проводить не полное, а частичное окисление углеводородной составляющей. В результа-те получается синтез­газ, который предполагается использовать для производства множества полезных продуктов: топлив, химикатов, пластика, тепла, электричества и др. Плазменные тех-нологии дают возможность газификации органической массы для получения газа с высоким со-держанием монооксида углерода и водорода при минимальном количестве примесей [1–5]. В рас-сматриваемой технологии термическая плазма используется для активации и контроля процес-са, так как высокая удельная энтальпия факела позволяет передавать значительное количество энергии материалу при малых расходах плазмообразующего газа. В дальнейшем процесс гази-фикации происходит за счет энергии экзотермических реакций окисления.Древесина является одним из возможных материалов для газификации. Она имеет относи-тельно постоянный элементный состав в сравнении с другими типами органических отходов и чаще всего доступна для использования. В связи с тем, что древесина в различных формах со-ставляет более 40% от общей массы растительных отходов [6], ее переработка представляет определенный практический интерес. Возможно создание мобильного плазменного реактора для переработки отходов небольших хозяйств по мере их накопления.Цель работы – получение данных о процессе плазменной газификации органического сырья, а также проверка соответствия термодинамических расчетов экспериментальным данным по газификации древесины в среде аргона и кислорода при наличии небольшого количества водя-ного пара. Экспериментальная установка представляет собой реактор объемом 10 л. Его нагрев про-изводится с помощью электродугового плазмотрона постоянного тока (мощность 5–20 кВт), ис-пользующего сжатый воздух или азот в качестве плазмообразующего газа. Загрузка материала производится через шнековый дозатор. Концентрации СО, СН4, СО2 определялись при помощи оптических датчиков Gascard NG, концентрации водорода – газоанализаторами Тест1­1 и High­tech Instruments K1550. Температуры контролировались при помощи термопар, установленных в реакторе.Моделирование процесса. В пакете Solidworks 2012 разработана модель реактора для оцен­-ки характера потока газа в нем при заданной температуре. В модель не был введен дозатор, так как на основании предварительных оценок установлено, что он не вносит существенных измене-ний в поток, но значительно усложняет моделирование. Результаты представлены на рис. 1. Можно отметить, что поток в реакторе турбулизован в значительной степени и, исходя из тра­екторий тока воздуха, частицы материала будут иметь достаточное время для полной его гази-фикации.80Для проведения термодинамического расчета с использованием программы CHEMCAD 6.3.1 разработана модель реактора. В предлагаемой модели реактор разделен на два элемента. В пер-вом элементе происходит моделирование перемешивания плазменного потока с перерабатывае-мым материалом; во втором элементе – нагрев смеси и реакция при заданных условиях. Рис. 1. Траектории движения воздушного потока в реакторе        Рис. 2. Концентрации Н2, СО и СО2 в отходящем газе для древесины влажностью 10% при соотношении материал : плазмообразующий газ 1:1,05 с использованием воздуха (а) и азота (б) и для древесины влажностью 25% при соотношении материал : плазмообразующий газ 1:1 с использованием воздуха (в) и азота (г)81Согласно проведенным термодинамическим расчетам (рис. 2), в описанной системе происхо-дит пиролиз древесного материала с образованием полезных продуктов: H2 и CO (синтез­газ), а также N2, CO2 и H2O. Состав отходящего газа зависит от используемого плазмообразующего газа, его количества и температуры в реакционной зоне. Результаты экспериментальных исследований. Древесина подавалась в плазменный реак-тор в виде опилок с характерным размером 1–2 мм. При расчете принимались следующие мо-дельные составы: массовые доли углерода, водорода и кислорода для сухой древесины соответ-ственно 51,1:6,4:42,5; массовые доли кислорода и азота в воздухе 1:4.Расчет производился для соотношений (по массе) плазмообразующий газ : материал 3,15:1; 3,15:2; 3,15:3 для древесины влажностью 10% и плазмообразующий газ : материал 1:2 для древе-сины влажностью 25%. Согласно проведенным расчетам и опубликованным данным [1, 7], состав отходящих газов в диапазоне 1200–1700 К остается практически неизменным. Вместе с тем с ростом температуры в реакторе увеличивается скорость газификации [1, 8]. Исходя из относительно малого объема реактора, эксперименты проводились в диапазоне 1400–1500 К. На рис. 2, а, б представлены расчетные (сплошные линии) и полученные экспериментально (штриховые линии) концентрации Н2, СО и СО2 в отходящих газах при использовании воздуха и азота соответственно в качестве плазмообразующих газов для древесины влажностью 10% при соотношении материал : газ 1:1,05.На рис. 2, в, г приведены расчетные (сплошные линии) и полученные экспериментально (штриховые линии) концентрации Н2, СО и СО2 в отходящих газах при использовании воздуха и азота в качестве плазмообразующего газа для древесины влажностью 25% при соотношении материал : газ 1:1. Из графиков видно, что для данной установки существуют расхождения меж­-ду теоретическими и экспериментальными результатами. Сильное расхождение количества во-дорода можно объяснить образованием воды вследствие его высокой реакционной способности. Вместе с этим некоторая часть углерода оседает на стенках реактора вследствие того, что про-цесс не является идеальным и имеются определенные отличия модели от реального процесса.В случае низкой влажности материала в воздушной плазме образование сажи значительно меньшее, чем при использовании азота. При малых расходах материала образуется значительное количество СО2, что может быть экономически оправдано только в том случае, если основная цель процесса – уничтожение отходов. С увеличением расхода материала растет выход СО и Н2, пригодных для дальнейшего использования. В научной литературе приведены результаты экспериментов по газификации органической массы на различных установках [4–8]. Некоторые из этих данных представлены в таблице.Результаты газификации древесиныВеществоСодержание, об. %[5] [4] [8] [7] Газификация на воздухе Газификация на азотеСО 14–22 29 25,8 40–42 26 29СО2 8–15 10,3 7,9 6–8 8 2Н2 10–17 18,8 29,4 25–27 21 30СnHm 1–4 3 Не указано 3–4 0 0N2 50–60 38,9 36,1 0 45 39Ar Не указано Не указано 0,43 21–23 Не измерялся Не измерялсяНизшая теплота сгорания, МДж/н. м3 4–5 ~6,5 5,89 9,3 5,6 7,0Расчеты показывают, что минимальная влажность древесины, при которой не требуется до-полнительного кислорода для газификации, составляет около 23%. По результатам эксперимен-та для древесины влажностью 25% установлено, что в случае газификации в воздушной атмо­сфере выход СО в среднем в 1,2 раза больше, а содержание СО2 в 5–6 раз больше по сравнению с параметрами того же процесса в среде азота. Содержание данных газов коррелирует с расчет-ными значениями. Величина концентрации водорода в обоих случаях примерно одинакова, но ниже расчетного значения приблизительно на 10–15%. Состав полученного газа зависит от режима работы реактора. Низшая теплотворная способность газа в зависимости от условий процесса достигает 7,0 МДж/м3.Заключение. Использование азота в качестве плазмообразующего газа может быть оправда-но при переработке отходов с содержанием влаги, достаточным для процесса полной газифика-ции без внешнего окислителя. Анализ энергетики процесса показывает, что плазменный факел служит в основном для его активации и поддержания высокой скорости протекания. Кроме того, при использовании азота при газификации древесины с низкой влажностью наблюдается значи-тельно меньшее отклонение эмпирических значений от расчетных. В ходе процесса образуется некоторое количество сажи (для азота оно существенно больше, что соответствует расчетам).Использование воздуха в качестве плазмообразующего газа применимо в том случае, если количества кислорода в материале недостаточно для проведения его полной газификации. Результаты экспериментов показали, что использование описанного метода для переработки древесных или сходных по составу отходов может рассматриваться как промежуточная стадия в технологии с применением H2 и CO.Литература1. Hrabovsky M., Hlina M., Konrad M. et al. // HighTempMatProc. 2009, Vol. 13, issue 3­4. P. 299–313.2. Heberlein J., Murphy A. B. // Journ. of Phys. D: Appl. Phys. 2008. Vol. 41, N 5. 3. Hlína M., Hrabovský M., Kopecký V. et al // CAPPSA 2007 Proc.: 3rd Intern. Congress on Cold Atmospheric Pressure Plasmas Sources and Applications. Ghent: The Department of Applied Physics, Faculty of Engineering, Ghent University, 2007. P. 29–32.4. Железная Т. А., Гелетуха Г. Г. // Пром. теплотехника. 2006. Т. 28, № 2. С. 61–75.5. Славянский А. К. и др. Химическая технология древесины. М., 1962.6. Сергеев В. В. Теплоэнергетические основы промышленной слоевой газификации растительной биомассы: Авто реф. дис. ... д­ра техн. наук: 05.14.04 СПбГПУ. СПб., 2009.7. Леончик А. И., Хведчин И. В., Савчин В. В. // Тепло­ и массоперенос­2012. Мн., 2012. С. 183–187.8. Братцев А. Н., Кузнецов В. А., Попов В. Е., Уфимцев А. А. // ТВТ. 2011. Т. 49, № 2. С. 251–255.A. I. LIAVONCHYK, V. V. SAUCHYN, H. V. DALHOLENKAWOOD GASIFICATION IN ARC PLASMA REACTOR  IN AIR AND NITROGEN ATMOSPHERESummaryOrganic mass plasma gasification investigations were carried out for nitrogen and air media in plasma reactor. Thermo­dynamic calculations were made for different regimes. The calculations were checked experimentally with plasma reactor. 

Газификация древесины в электродуговом плазменном реакторе в атмосфере воздуха и азота

https://vestift.belnauka.by/jour/article/download/33/34

Газификация древесины в электродуговом плазменном реакторе в атмосфере воздуха и азота

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Physical-Technical Series / Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук