 |
Газогенераторные установки
|
|
|
|
Физические основы утилизации биомассы предусматривают высоко- и низкотемпературный пиролиз. Под пиролизомподразумеваются любые процессы, при которых органическое сырье подвергают нагреву или частичному сжиганию для получения производных топлив или химических соединений. Изначальным сырьем могут служить древесина, отходы биомассы, городской мусор и конечно уголь. Продуктами пиролиза являются газы, жидкий конденсат в виде смол и масел, твердые остатки в виде древесного угля и золы.
Газификация– это пиролиз, приспособленный для максимального получения производного газообразного топлива. Устройства для частичного сжигания биомассы, проектируемые в расчете на получение максимального выхода газов, называются газогенераторами. Схема установки для осуществления пиролиза приведена на рисунке 13.3.
Наиболее предпочтительными считаются вертикальные устройства, загружаемые сверху. КПД пиролиза определяется как отношение теплоты сгорания производного топлива к теплоте сгорания используемой в процессе биомассы. Достигаемый КПД весьма высок: 80-90%.
Рисунок 13.3 - Установка для осуществления пиролиза
Объем жидкой массы (м3), проходящей через биогазогенератор ежесуточно:
, (13.1)
где m – масса сухого материала в навозе животных за сутки,
ρ (кг/м3) – содержание сухого материала в 1 м3 жижи.
Объем биогазогенератора, м3:
, (13.2)
где t – время цикла сбраживания, сут.
Масса сухого материала в полном биогазогенераторе, кг:
. (13.3)
Объем биогаза, выделяемого биогазогенератором за сутки, м3/сут
|
|
|
,
выход биогаза из 1 кг сухого материала в сутки.
Годовая выработка электроэнергии (кВт∙ч) при использовании биогаза в двигатель – генераторной установке:
(13.4)
Чтобы процесс пиролиза шел успешно, должны соблюдаться определенные условия. Подаваемый материал предварительно сортируют для снижения негорючих примесей, подсушивают и измельчают. Критическим параметром, влияющим на температуру и на соотношение видов получаемых
продуктов, является соотношение воздух - горючее. Проще всего управлять блоком, работающим при температуре ниже 600° С. При этом можно выделить четыре стадии перегонки:
1) 100-120 °С – подаваемый в газогенератор материал, опускаясь вниз, освобождается от влаги.
2) 275 °С – отходящие газы состоят в основном из N 2, CO и CO 2; извлекаются уксусная кислота и метанол.
3) 280-350 °С – начинаются экзотермические реакции, в процессе кото-
рых выделяется сложная смесь летучих химических веществ (кетоны, альде-гиды, фенолы, эфиры).
4) свыше 350 °С – выделяются все типы летучих соединений; одновре-
менно с образованием CO происходит увеличение образования H 2, часть углерода сохраняется в форме древесного угля, смешанного с зольными остатками.
Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, обладают
меньшей по сравнению с исходной биомассой суммарной энергией сгорания,
но отличаются большей универсальностью применения.
Твердый остаток (максимальная масс. доля 25-35%). Современные установки для получения древесного угля, работающие при t = 600 °С, преобразуют в требуемый продукт от 25 до 35% сухой биомассы. Древесный уголь на 75-85% состоит из углерода, обладает теплотой сгорания около 30 МДж/кг.
Жидкости (конденсированные испарения, максимальная массовая доля
около 30%). Делятся на вязкие фенольные смолы и текучие жидкости, пиролигенные кислоты, в основном уксусную кислоту, метанол (максимум 2%) и ацетон. Жидкости могут быть отсепарированы либо могут использоваться вместе в качестве необработанного топлива с теплотой сгорания около 22 МДж/кг.
|
|
|
Газы (максимальная масс. доля, получаемая в газогенераторах, состав-ляет примерно 80%). Смесь выделяющихся при пиролизе газов с азотом известна как древесный газ, синтетический газ, генераторный газ или водяной газ. Теплота сгорания на воздухе составляет 5–10 МДж/кг (от 4 до 8
МДж/м3 при нормальных условиях). Эти газы могут быть использованы не-посредственно в дизелях или в карбюраторных двигателях с искровым зажи-
ганием, при этом основная трудность – избежать попадания в цилиндры золы
и конденсирующихся продуктов пиролиза. Газы в основном состоят из N 2, H 2 и CO с малыми добавками CH 4 и CO 2. Их можно накапливать в газ-гольдерах при давлении, близком к атмосферному.
13.3 Котельные установки для сжигания биотоплива
Основным способом применения биогаза является превращение его в источник тепловой, механической и электрической энергии.
На биогазе могут работать газосжигающие устройства, вырабатывающие энергию, которая используется для отопления, освещения, снабжения кормоприготовительных цехов, для работы водонагревателей, газовых плит, инфракрасных излучателей и двигателей внутреннего сгорания. Наиболее простым способом является сжигание биогаза в газовых горелках, так как газ можно подводить к ним из газгольдеров под низким давлением, но более предпочтительно использование биогаза для получения механической и электрической энергии. Это приведет к созданию собственной энергетической базы, обеспечивающей эксплуатационные нужды хозяйств.
Газовые горелки на биогазе.
Основой большинства промышленных и бытовых приборов, в которых можно использовать биогаз, является горелка. В большинстве случаев для бытовых нужд предпочтительны горелки атмосферного типа, работающие на предварительно смешанном с воздухом биогазе, для промышленных нужд требуются наддувные горелки, выполненные по специальному заказу. Потребление газа горелками сложно подсчитать заранее, поэтому конструкция и настройка горелок должны определяться для каждого индивидуального случая экспериментально.
|
|
|
По сравнению с другими газами биогазу нужно меньше воздуха для возгорания. Следовательно, обычные газовые горелки и приборы нуждаются в более широких жиклерах для прохождения биогаза. Для полного сгорания 1 литра биогаза необходимо около 5,7 литров воздуха, в то время как для бутана - 30,9 литра и для пропана - 23,8 литра. Модификация и адаптация стандартных горелок является ответственным делом. По отношению к наиболее распространенным бытовым приборам и горелкам, приспособленным для использования бутана и пропана, можно отметить, что бутан и пропан обладают теплотворной способностью почти в 3 раза выше, чем биогаз, и даёт в два раза большее пламя. Перевод горелок на работу на биогазе всегда приводит к более низким уровням работы приборов.
|
|
|
