1598005442-bd41ad96c45193b3fdd4d03a682e8790 (811217), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Несмотря на существование множества проектов по использованию полученного тепла для обогрева жилых домов, в болыпинстве случаев это тепло не используется. Стоимость сжигания может быть неожнцанно высокой, но здесь первостепенное значение имеет борьба с загрязнением окружающей среды, а для некоторых отходов сжигание является единственно приемлемым способом их утилизации. Сжигание сортированных городских отходов и процессы регенерации энергии описаны в литературе [11] . 3.2. СУХАЯ ПЕРЕГОНКА, ГАЗИФИКАЦИЯ И СЖИЖЕНИЕ Термическое повышение качества биомассы.
Основной целью всех процессов повышения качества биомассы является превращение ее в стабильное транспортабельное топливо, способное заменить ископаемые виды топлива без использования специального оборудования для погрузочно-разгрузочных раоот. Путем сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов можно получить твердые, жидкие н газообразные соединения, обладающие, по крайней мере, некоторыми свойствами угля, нефти и природного газа. В литературе описано много различных процессов, широко использоваяшихся в про)шгом; производство газа для использования его в качестве топлива путем сухой перегонки и газификации угля и биомассы было начато почти 200 лет назад.
Различные термические процессы повышения качества биомассы, пред- 47 л,, О3ЮЯнееи ми 48 Рис. 9. Термическое обогащение биомассы. лагаемые в настоящее время и использовавшиеся в прошлом, имеют много общих черт. Схематически используемые процессы представлены иа рисунке 9. При нагревании биомассы происходит распад углеродсодержащих молекул с образованием ряда газообразных, жидких и твердых продуктов. Специфические продукты реакции определяются температурой реакции, тепловой мощностью, степенью измельчения и типом биомассы, а также присутствием неорганических примесей и катализатора.
Тепло, необходимое для осуществления этих изменений, носящих эндотермический характер, подводится или из внешнего-источника, или путем введения воздуха или кислорода в реактор и сжигания части биологического материала. Термины "сухая перегонка", "газификация" и "сжижение'* не имеют точного значения в литературе. Газификация и сжижение биомассы происходят как в присутствии, так и в отсутствие окислительных (Оэ, воздух) и восстановительных (СО, Нэ) газов, обычно связанных с этиьш процессами. В настоящем исследовании сухая перегонка рассматривается отдельно как анаэробный процесс. Превращение биомассы в газы при сжигании на месте рассматривается как газификация.
Понятие "сжижение" охватывает восстановление биомассы до масел под действием восстановительных газов, полученных также из биомассы. Подготовка биомассы. Высокая влажность биомассы представляет собой непосредственную проблему при осуществлении всех процессов повышения качества биотоплива вследствие затрат энергии на испарение воды и разбавления продуктов реакции непрореагировавшим паром.
Большинство методов включают стадию высушивания при использовании уже частично высушенных материалов; однако в материале допускается определенное количество воды, которое необходимо для образования синтез-газа (паровая газификация) . Биомасса, содержащая более 30% воды, потребует, очевидно, сушки перед осуществлением любых процессов. дпя облегчения процесса суш альве и .и, а также достижения требуемой аом 11% скорости реакции в процессе тепловой обработки биомасса должна быль измельчена с получением соответствующих размеров частиц. Технологическая схема включает дробильные, измельчительные и разма- Ъ лывающне установки.
Если биоло- м"'рн "редщ"""ш . р„,,ц „„„„„, „„„„„„. часть общих отходов, необходим предварительный отсев негорючих и других примесеи." пл т ". "Уплотненная биомасса", о которой говорилось выше, может быть исполь б о ьзована для процессов обогащения без дальнеипптх обработок [14]. п иво т к далению влаги Сухая перегоика.
Нагрев биомассы приводит к у а (ярко выраженный эндотермический роц ) . р и есс). П и температуре выше 100'С биомасса начинает разлагаться, а между 250 и 600 С основными продуктами я ляю вляются уголь и маслянистая кислая смесь дегтя и различных количеств метан ла, етанола уксусной кислоты, ацетона и сл д в дру шленноорганических веществ. о . Л развития нефтехимической промышленнсти источником этих соединений была перегонка древесины. На ис нке 10 [12] показанв качестве примера пиролиз целлюлозы.
При температуре свыше 600 С жидкие ироду ро На рисунке 0 газифицированы, а свыше 800 С газифицируется также и уголь в рв- а е эндотермической реакции углеродсодержащих молекул с возультате дой с образованием синтез-газа, смеси оксипа уг ро Какие химические реакции протекают в процесс е тепловой обработки биомассы, точно определить труди о вследствие очень сложной химической природы биомассы. Пр д, . П ав а основными компонентами многих типов рас ра тительного материала являются целлюлоза и крахмал, и нам известны н некоторые реакции сухой перегонки этих ироду о ка бонизация или обуглиих термодинамика [14].
Сначала происходит карбонизация или у ванне: [СвН,вОв]л-+ блС+ 5иНэО (изменение энтальпии = — и = — 2 9 Гпж/т). Реакция является в некоторой степени экзотермической, т. е. такси же, как и по у получение пиролитического масла (в качестве средней молекулярной . форму . фо улы пиролитического масла принимается ф р у СвНвО): [СвНввОв] и -+ 0,8пСвНвО + 1,8НэО+ 1,2лСОэ (энтальпия = — 2,1 ГДж/т), ин ез-газа является в высшей степени эццотермичеОбразование синтез-газ ской реакцией: 49 Биомассе Биомасса ГВЗм Рис. 11. Пиролиз биомассы. 57,5 7,6 33,4 24 1,3 Углерод, % Водород, % Кислород, % ГДж/т Плотность, г/см 50 С + НзО -и СО + Нз (энтальпия =+14,6 ГДж/т углерода) .
При быстром нагревании целлюлозы, как при "мгновенном" пиролизе, может образоваться некоторое количество олефинов в ходе другой эндотермической реакции. [СеНтоОе[п -+2пСзН4 +пНзО+ 2пСОз (энтальпия = +0,24 ГДж/т) Несмотря иа некоторые утверждения относительно автотермального характера (или близкого к автотермальному) процесса сухой перегонки биомассы, термическое обогащение биомассы обычно требует затрат теплоты, составляющих до 10% теплоты сжигания сухой биомассы (примерно цо 2 ГДж/т) . Эта доля может быль значительно выше, например, при производстве угля, где происходит потеря летучих продуктов.
Технология сухой перегонки. Эа исключением производства высоко- ценного древесного угля, используемого как в качестве топлива, так и для других целей, сухая перегонка биомассы в промышленном масштабе не используется в развитых странах. Древесный уголь обычно получают путем нагревания древесины цо 350'С в пиролитическом реакторе. Выход составляет около 35% топлива с энергоемкостью примерно 29 ГДж/т, т.
е. сохраняется около 50% энергии древесины. Ниже даются комментарии по другим предложенным процессам. В одном из процессов используется пиролиз при 500 — 600'С с повторным использованием газа для превращения углеродсодержащих материалов в уголь и вязкую, сильно окисленную топливную нефть. В другом процессе сильно влажная биомасса газифицируется с использованием пара при 600'С и давлении 20 бар с получением синтез-газа.
Наконец, быстрый пиролиз сухой биомассы при 800 'С ведет к образованию олефинов, которые могут быть полимеризованы в автомобильный бензин (его замечитель) . В "западном" процессе (ранее процесс Гарретта) [15) сырье цолжно быть высушено и тонко размолото. Теплота, необходимая для осуществления пиролиза, получается в результате сжигания газов и части угля, образовавшихся в результате реакции. Газы удаляются из угля в циклонном сепараторе до очистки от жидкостей и остающихся твердых частиц, а затем уголь и газы возвращаются в пиролизатор.
Схематическая диаграмма этого процесса показана на рисунке 11. В целях максимизации выхода жидкости время пиролиза сокращается до нескольких секунд. Типичные свойства пиролитического масла, выход которого составляет около 40% в расчете на сухое сырье, показаны в таблице 24. Пиролитическое масло не смешивается с топливной нефтью, имеет коррозионные свойства, аналогичные свойствам уксусной кислоты, и может храниться только в течение примерно двух недель вследствие продолжающихся химических реакций.
Для использования этого масла в качестве топлива необходимо специальное оборудование. Теплотворная способность пиролвтического масла составляет около 53% теплотворной способ. ности топливной нефти (по массе). Выход угля составляет от 20 до 50%, содержание золы в угле до'50%. Газы имеют низкую теплотвор. ную способность и содержат до 65 % двуокиси углерода и до 8% сероводорода. Таблица 24. Свойства лиролитического масла В ходе процесса Райта — Мальта [161 цревесные стружки проходят через печь с продуктами реакции.
В качестве. катализатора добавляется древесная зола. Газы, жидкости и уголь газифицируются с помощью пара, присутствующего в древесине. Этот процесс считается автотерми. ческим вследствие экзотермического характера разложения древесины и переноса тепла от горячих продуктов в систему. Третий процесс, разработанный в Центре военно-морского вооружения, включает быструю паровую газификацию биомассы с образованием смеси олефиновых углевоцородов [17).
Высушенную биомассу размалывают в муку, насыщают паром и остаточными газами полимериэационного реактора и нагревают до 800 'С. Эндотермическая реакция поддерживается путем сжигания пиролитического угля (побочного продукта) и отходящих газов. Образовавшиеся газы содержат около 4% по массе 51 этилена, полимеризующегося до высших углеводородов при давлении около 56 кг/смз и температуре 500 С. Однако побочные продукты не обеспечивают достаточного количества теплоты дпя протекания процесса, что вызывает необходимость сжигания дополнительного количества древесины. Выход автомобильного бензина и масла определяется термической эффективностью 11,9% в расчете на сухое древесное сырье.
Окислительная газификация. Газификация биомассы кислородом дает газ средней энергоемкости, содержащий в основном оксид углерода и водород. Аналогичная реакция происходит на возцухе, но образующиеся газы разбавляются азотом, снижающим теплотворную способность. Химический процесс газификации представляет собой соче. танис химического процесса сжигания с некоторыми реакциями пиролиза, описанными в предыцущем разделе. Уголь, полученный в результате пиролиза, реагирует с паром или диоксидом углерода с образованием синтез-газа: С+ НзО ~СО+ Нз/ С + СОз — 2СО. Гажкрккагор аосхоякасаго тока Гаакфикагор кксхоаяаааго тока ятх Рис. 12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
