Koncepcja obliczen procesowych gazogeneratora do zgazowania biomasy

and Environmental Protection

http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 10(2008), p-43-54

Koncepcja obliczeń procesowych gazogeneratora do zgazowania biomasy Poskrobko S.

Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, ul. Wiejska 45 C,

15-351 Białystok,

e-mail: drposkrobko@wp.pl

Streszczenie

W pracy przedstawiono koncepcję obliczeń procesu generatorowego, obejmującego pod-stawowe wysokotemperaturowe przemiany fizykochemiczne biomasy, tj. zgazowanie i odgazowanie. W ramach opisu matematycznego podano metodykę doboru składu paliw formowanych oraz sformułowano równania bilansowe masy i energii, na podstawie których możliwa jest identyfikacja - istotnych dla przebiegu procesu - parametrów technologicz-nych, niezbędnych przy projektowaniu gazogeneratorów. Omówione zagadnienia dotyczą wytwarzania gazu syntetycznego (generatorowego) dla potrzeb energetyki.

Abstract

Two layers gas-generator to biomass gasification - mathematical model

The work presents the conception of formulation of the mathematical model of generator processes, which includes basic physical and chemical phenomena of high-temperature transformation of biomass, i.e. gasification and degasification. Within the frames of mathematical description given are simplified mass and energy balance equations, the solu-tion of which leads to the identificasolu-tion of essential technological parameters being indis-pensable in the course of designing of gas generators. Discussed problems concern manu-facturing of synthetic gas (generator gas) for needs of power engineering.

1. Wstęp

W pracy przedstawia się koncepcję procesową oraz propozycję opisu matematycznego przemian zachodzących w generatorze do zgazowania biomasy. Zakłada się, że proces zgazowania przebiegać będzie w warunkach egzotermicznych (utleniających) z udziałem powietrza i endotermicznych (redukcyjnych) z udziałem pary wodnej. Proces odgazowania (suchej destylacji) określa się zaś jako endotermiczny w pierwszej fazie i jako egzoter-miczny – w drugiej. Matematyczne ujęcie procesów zgazowania i odgazowania, prowadzi do sformułowania układu równań:

• masy, tj. molowy bilans składników elementarnych: c, h, o, n, s zawartych w substra-tach i produksubstra-tach;

• energii dla termodynamicznego układu reakcyjnego opisanego uwzględniając stan-dardowe entalpie tworzenia substratów i produktów.

Spodziewanym efektem tak realizowanych przemian ma być doprowadzenie do uzyskania możliwie wysokiej sprawności chemicznej (tzw. zimnej) procesu generatorowego.

2. Zasady doboru paliwa

Istotnym elementem technologii zgazowania substancji odpadowych (tj. realizacji proce-sów generatorowych) jest takie jej przygotowanie, aby w wyniku obróbki termicznej uzy-skać możliwie wysoką wartość opałową gazu poprocesowego, co z kolei w znacznym stop-niu decyduje o zastosowastop-niu omawianej technologii w energetyce cieplnej. Dlatego też w technologiach zgazowania stosowanych w energetyce przywiązuje się należytą uwagę do jakości podawanego paliwa, a w przypadku paliw odnawialnych, w tym odpadów, do pro-cesów kalibrowania składu elementarnego. Dla przykładu w tabeli 1 według [1] podano uśredniony skład elementarny zmieszanych gatunków drewna

Tabela 1. Zestawienie właściwości peletów o średnicy 6mm otrzymanych z drobnych czą-stek różnych gatunków drewna

C H2 O2 N2 Cl S H2O Wartość opałowa

% % % % % % % MJ/kg (stan

analitycz-ny) 49,40 6,92 35 0,06 0,002 --- 7,17 17,867

Podstawową zaletą odpadów drzewnych jako paliwa jest stabilność składu elementarnego, natomiast wadą – znaczna zawartość wilgoci oraz w niektórych rodzajach biomasy zawar-tość metali alkalicznych i cynku. W przypadku formowania paliw z odpadów komunalnych [2,3] lub przemysłowych (np. z przemysłu celulozowo-papierniczego [4,5,6]) sytuacja nieco się komplikuje. Tak więc niezbędne jest wstępne działanie technologiczne realizowa-ne poprzez formowanie paliwa o z góry zamierzonych udziałach gramowych np.: węgla – co głównie decyduje o powodzeniu procesu - oraz chloru, siarki i metali ciężkich, metali alkalicznych, zawartości wilgoci, zawartości popiołu itp. Przykładowy częściowy skład elementarny paliwa formowanego z odpadów celulozowo-papierniczych (odpad pomakula-turowy-A1, osad z pulpy drzewnej-A2) przedstawiono w tabeli 2.

Podstawą metodologii formowania paliw, np. z odpadów celulozowo – papierniczych, w których możliwy jest duży udział chloru [5,6], są ograniczenia w zakresie: limitowanego udziału chloru w suchej masie paliwa – (1). warunek technologiczny (ekologiczny): Tabela 2. Wyniki częściowej analizy elementarnej paliwa formowanego z odpadów celulo-zowo-papierniczych [6]

% % % % % % % % Składnik A1 (odpad pomakula-turowy) 35,7 4,1 14,8 0,04 1,88 0,08 41,6 1,8 Składnik A2 (masa łapana) 16,6 1,5 10,15 0 0 0,05 50,1 21,6 Paliwo formowa-ne (A1+A2) 23,873 2,49 11,921 0,015 0,716 0,061 46,862 14,057 (max) , ,s pf s pf

cl

cl

≤

oraz wartości opałowej w stanie roboczym – (2). warunek kaloryczny: (min) ), ( ), (pf r d pf r d

W

W

≥

. Proces formowania przeprowadza się więc tak, aby spełnione były warunki (1) i (2) jednocześnie. Na rys.1 przedstawiono – tytułem przykładu – obszar zawierający paliwa formowane z odpadów celulozowo-papierniczych.

CZĘŚCI NIEPALNE. W ILGOĆ 0,5 0,5 0,5 CZĘŚCI PALNE IIW II V VA2 WĘGIEL A2 A1

Rys.1. Trójosiowy wykres Tannera: (

cl

pf,s

≤

0

,

01

;

W

d(pf),r

≥

6

MJ

/

kg

) [6]

Postać ogólną procesu tworzenia paliwa formowanego o dowolnej liczbie składników i dowolnej liczbie wymogów procesowych można opisać następującym układem zależności [7,8]:

            = + + + ≥ ⋅ + + ⋅ + ⋅ ≤ ⋅ + + ⋅ + ⋅ ≤ ⋅ + + ⋅ + ⋅ ≤ ≤ ⋅ + + ⋅ + ⋅ ≤ ≤ ⋅ + + ⋅ + ⋅ ≤ , 1 ... , ... , ... ..., ,... ... ... ... ... ... ... , ... , ... , ... , , 2 , 1 (min) ), ( , ), ( , 2 ), 2 ( , 1 ), 1 ( (max) , , , , 2 , 2 , 1 , 1 (min) , , , , 2 , 2 , 1 , 1 (min) , (max) , , , , 2 , 2 , 1 , 1 (min) , (max) , , , , 2 , 2 , 1 , 1 (min) , s n s s s pf d s n s n d s s d s s d s pf s n s n s s s s s pf s n s n s s s s s pf s pf s n s n s s s s s pf s pf s n s n s s s s s pf g g g W g W g W g W a g a g a g a a g c g c g c c s g s g s g s s cl g cl g cl g cl cl (3) gdzie:

g

n,s - udziały masowy n-tego składnika w paliwie w stanie suchym,

s

i,s- udział gramowy siarki w n-tym składniku paliwa w stanie suchym,

c

n,s- udział gramowy węgla w n-tym składniku paliwa w stanie suchym,

a

n,s_{- zawartość popiołu w n-tym składniku} pali-wa w stanie suchym,

W

d(i),s- wartość opałowa n-tego składnika paliwa w stanie suchym. Sumę udziałów masowych składników paliwa oraz warunek limitujący wartość opałową, po ptrzeliczeniu, można odnieść do stanu roboczego.

Pierwsze trzy warunki zawarte w (3) mają istotne pierwszorzędne znaczenie dla procesów generatorowych.

3. Modelowanie procesów cieplno-przepływowych

W ramach modelowania procesu wytwarzania gazu generatorowego (syntetycznego) z biomasy lub paliw formowanych rozpatruje się układ cieplno-przepływowy dwuwarstwo-wego generatora gazu przedstawiony na rys.2. Pierwszy etap procesu, zachodzący w war-stwie I, to zgazowanie koksu np. z biomasy w środowisku powietrza i pary wodnej, w wy-niku którego uzyskuje się tzw. gaz mieszany i popiół. Koks, stanowiący wsad do procesu zgazowania, otrzymuje się w warstwie II w procesie odgazowania (suchej destylacji) roz-drobnionej np. biomasy. Gaz wytworzony poprzez zgazowanie koksu (tzw. mieszany) o temperaturze T ~ 8000C stanowi gazowy nośnik ciepła dla strefy odgazowania – warstwa II. Zakłada się, że ciepło unoszone do strefy II pokrywa zapotrzebowanie energetyczne endotermicznego stadium odgazowania. W odgazowaniu biomasy [9,10] rozróżnia się dwa podstawowe stadia procesowe: (1).endotermiczne – do temperatury 2700C, (2).egzotermiczne – w zakresie temperatur 270 do 4000C. Proces zazwyczaj kończy się w temperaturze 4000C, o ile efektem suchego rozkładu ma być wysoka wydajność produktów ciekłych i półkoksu. Jeśli zaś efekt leży po stronie uzysku koksu oraz znikomej ilości ga-zów kondensujących i smół, to temperatura końcowa osiąga wartość około 10000C. Gaz generatorowy (syntetyczny) o wartości opałowej około 5÷6 MJ/Nm3 [11] wytworzony w dwóch warstwach gazogeneratora może być stosowany jako uzupełniające paliwo gazowe w energetyce. Bilanse materiałowe i cieplne, tworzące model matematyczny, sformułowa-no dla dwóch jedsformułowa-nostek procesowych, oddzielnie dla warstwy I (czyli zgazowania) i

od-dzielnie dla warstwy II (tj. odgazowania). W obu przypadkach, zakłada się przebieg proce-sów w warunkach ustalonych.

W obliczeniach procesowych reaktora I zastosowano metodę stechiometryczną, w której istotną rolę odgrywają dane o charakterze chemicznym. Podstawą tej metody jest prawo działania mas ze stałą równowagi KC,2, określającą równowagę termodynamiczną reakcji [12] charakteryzujących się nietrwałą równowagą, i dane pochodzące z modelu stechiome-trycznego procesu zgazowania. W przypadku reakcji zachowujących trwały stan równowa-gi termodynamicznej (np. reakcje utleniania), nie bierze się pod uwagę stałej równowarównowa-gi (KC,1>> 1). Ustala się, że reakcje zgazowania są pierwszego rzędu oraz liniowo niezależ-ne, co wynika z analizy macierzy chemicznych. W przypadku reaktora II zastosowano metodę niestechiometryczną, w której – jako dane wejściowe – przyjęto początkowy skład substancji reakcyjnej (substratu) w postaci składu elementarnego (pierwiastkowego) bio-masy i zbiór związków chemicznych występujących w produktach procesu odgazowania. Formułując bilanse energetyczne posłużono się wyrażeniami określającymi funkcje termo-dynamiczne każdego związku i parametrami stanu równowagi. W obu przypadkach (zga-zowanie, odgazowanie), standardowe funkcje termodynamiczne zależą tylko od temperatu-ry, albowiem procesy prowadzone są pod stałym ciśnieniem - w warunkach tzw. atmosfe-rycznych [12]. W formułowanych bilansach cieplnych wykorzystuje się prawo Kirchhoffa. Prezentowany model nie uwzględnia odchyleń temperaturowych ∆T od stanów równowagi. W procesie zgazowania mieszaniną pary wodnej i powietrza zakłada się uproszczony prze-bieg procesu, tj. według następujących reakcji:

2C + O2 + 3,76 N2 = 2CO + 3,76 N2 (+q1) (6)

C + H2Opara = CO + H2 (-q2), (7)

przy czym w przypadku reakcji (6) ma się do czynienia z równowagą trwałą, natomiast w przypadku reakcji (7) ustala się stan nietrwałej równowagi i warunkiem przebiegu tej reak-cji jest utrzymanie odpowiednio wysokiej temperatury w granicach 9000C – 12000C. Za-kłada się, że w warstwie I cały koks ulega przemianie powietrzno-parowego zgazowania, w związku z tym produktami zgazowania koksu drzewnego są: CO, N2, H2 (pomija się

po-wstanie popiołu). Otrzymane gazowe produkty kierowane są – jako nośnik ciepła – do strefy II.

Bilans materiałowy ma umożliwiać wyznaczenie: (1).strumieni molowych: pary wodnej G2,

powietrza G1, gazu (mieszanego) G3 otrzymanego w strefie zgazowania; (2).udziałów

mo-lowych: składników gazu syntetycznego: n3,3, n3,5, n3,6 (odpowiednio: N2, CO, H2) i pary

B T 4 = T B I I I T 3 T 4 G 1 , T 1 G 2 , T 2 B 1 , T B 1 G 4 ,T 4 G 3 ,T 3 Q z Q o T 4 T 3 B 1 G 4 G 2 G 1 (a ) _{(b )} G 3 B

Rys.2. Generator gazu

(a).schemat cieplno-przepływowy, b) zasada działania: I – warstwa zgazowania; II – war-stwa odgazowania; G1 – strumień powietrza, [kmol/h]; G2 – strumień pary wodnej,

[kmol/h]; G3 – strumień gazu z warstwy I, [kmol/h]; G4 – strumień gazu generatorowego,

[kmol/h]; B – strumień koksu drzewnego, [kmol/h]; B1 – strumień paliwa (biomasy),

[kmol/h]; T1, T2, T3, T4 – temperatury gazowych substratów i produktów [K]

TB, TB1 - temperatury koksu drzewnego (B) i biomasy (B1), [K]; Qz – ciepło wytworzone

w procesie zgazowania [kJ]; Q0 – ciepło wytworzony w procesie generatorowym, [kJ]

Bilans odnosi się do paliwa (koksu) podawanego do warstwy I reaktora w ilości B =1 [kmol/h]. Przyjęto następujące oznaczenia składników: 1 – C, 2 – O2, 3 – N2, 4 – H2O, 5 –

CO, 6 – H2. Niżej przedstawione równania bilansu materiałowego (8) – (14) ustala się dla

węgla (c), wodoru (h), tlenu (o) i azotu (n), przy czym wprowadza się parametr technolo-giczny - ograniczenie procesowe Φ, wskazujący stosunek paliwa (oznaczonego jako B) do powietrza (oznaczonego jako G1):

5 , 3 3 1 , :B n G n c ⋅ _B = ⋅ (8) 6 , 3 3 4 , 2 2 2 2 : G n G n h ⋅ = ⋅ (9) 5 , 3 3 4 , 2 2 2 , 1 1 2 : G n G n G n o ⋅ + ⋅ = _⋅⋅ (10) 3 , 3 3 3 , 1 1 :G n G n n ⋅ = ⋅ (11)

1

3 , 3 6 , 3 5 , 3

+

n

+

n

=

n

(12) 4 , 2 5 , 3 6 , 3 2 , n n n K_C = ⋅ (13) 1 G B=Φ⋅ ₍₁₄₎

Uwzględniając dane: (1).udział molowy podawanego węgla pierwiastkowego (koksu) – n

B=1; (2).udział molowy tlenu w podawanym powietrzu – n 1,2 = 0,21; (3).udział molowy

azotu w podawanym powietrzu – n 1,3 = 0,79; (4).parametr technologiczny -

Φ

;

(5).termodynamiczną stałą równowagi KC2 = f(T), otrzymano układ siedmiu równań (8) –

(14) z siedmioma niewiadomymi.

Podstawą bilansu energetycznego są – uzyskane w wyniku rozwiązania układu równań (8)÷(14) – wielkości strumieni masowych odniesione do 1kmola koksu przy założeniu, że zostaje on w całości spopielony. Ogólne równanie bilansowe, określające strumień ciepła wydzielony w procesie zgazowania, sprowadza się do postaci:

τ d dQ H G H G H G H B Z B+ ⋅∆ + ⋅∆ = ⋅∆ + ∆ ⋅ _{1 1 2 2 3 3} (15)

gdzie: ∆HB=∆HB(TB) - entalpia paliwa [kJ/kg]; ∆H1=∆H1(T1,p1) - entalpia powietrza

[kJ/kg]; ∆H2=∆H2(T2,p2) _{- entalpia pary wodnej [kJ/kg];} ∆H3 =∆H3(T3,p3,n3,3,n3,5,n3,6)

- entalpia gazu syntetycznego z procesu zgazowania [kJ/kg]; K T K T T K T_B=1073 , ₁= ₂=298 , ₃=673 _.

W celu obliczenia wartości poszczególnych entalpii założono, że właściwości gazów nie różnią się od właściwości gazów doskonałych. Skorzystano więc z danych zamieszczonych w [13], a dotyczących molowych pojemności cieplnych i standardowych entalpii tworzenia. Następnie, z ogólnego równania bilansu cieplnego (15), oblicza się strumień ciepła dQz/dτ, który wydziela się w procesie powietrzno-parowego zgazowania koksu otrzymanego w reaktorze II. W obliczeniach pomija się straty do otoczenia.

Zgazowanie koksu w strumieniu pary wodnej i powietrza przedstawiono w postaci reakcji chemicznych (1), (2). Entalpię poszczególnych strumieni oblicza się tak, jak entalpię

pro-duktów i substratów. Wartość entalpii chemicznej paliwa

∆

H

B _{w strumieniu czystego}

węgla B wprowadzanego do reaktora I w temperaturze TB=1073K wyrażono następującą

zależnością:

∫

+ ∆ = ∆ B T o fB B H cdT H 298 1 (16) gdzie:

0

0

₌

∆

H

_fB

- standardowa entalpia tworzenia paliwa w [kJ/kmol] dla temperatury otoczenia T = 298K. Natomiast entalpię strumienia powietrza wyraża wzór:

∫

+ ∆ + ∆ = ∆ 1 298 1 3 3 , 1 2 2 , 1 1 T śr p o o f o f n H c dT H n H (17) gdzie: ∆ 2=0 o f H i ∆ 3=0 o f H

- standardowe entalpie tworzenia: O2 i N2 [kJ/kmol], a

), ( _{1 1 1 1 1}2 _{1 1}3 3 2 1 1 n a b T c T d T c _{j j j j} j j śr p o ₌

∑

_{+ + +} = (18)

w której:

a

1j

,

b

1j

,

c

1j

,

d

1j, - współczynniki przeliczeniowe dla tlenu (j=2) i azotu (j=3). Obliczenie entalpii pary wodnej wprowadzanej do gazogeneratora przeprowadza się we-dług zależności określonych w bibliotece właściwości pary wodnej:

)

,

(

_{2 2} 2 2

H

T

p

H

=

∆

∆

(19)

Entalpia strumienia G3 gazowych produktów zgazowania koksu (CO, N2, H2) wynosi:

, 3 298 3 6 36 5 35 3 33 3 n H n H n H c dT H T o śr p o f o f o f + ⋅∆ + ⋅∆ +

∫

∆ ⋅ = ∆ (20) przy czym:

)

(

)

(

)

(

3 6 2 6 6 6 36 3 5 2 5 5 5 35 3 3 2 3 3 3 33 3

T

d

T

c

T

b

a

n

T

d

T

c

T

b

a

n

T

d

T

c

T

b

a

n

c

op śr

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

(21) gdzie: ∆Hof3, ∆Hof5, ∆Hof6 – standardowe entalpie tworzenia: CO, N2, H2 [kJ/kmo], cop3śr

– średnia pojemność cieplna gazu syntetycznego z warstwy I [kJ/kmol K], a, b, c, d – współczynniki przeliczeniowe.

Strumień ciepła, wywiązujący się w procesie zgazowania w warstwie II, oblicza się z za-leżności (22), a więc: 3 3 2 2 1 1 H G H G H G H B d dQ B Z _{= ⋅∆ + ⋅∆ + ⋅∆ − ⋅∆} τ _{. (22)}

Wytworzone w procesie ciepło wykorzystuje się w całości do podtrzymania endotermicz-nych procesów odgazowania w warstwie II.

Drugi etap procesu generatorowego (odgazowanie) przeprowadza się w warstwie II gazo-generatora. Wsad stanowi rozdrobniona biomasa lub paliwo formowane o znanym składzie elementarnym, przedstawionym w postaci ułamków molowych x1,1 – x1,5 determinują-cych udziały węgla (c), wodoru (h), tlenu (o), azotu (n) i zawartość wody, przy czym bierze się pod uwagę wodę w postaci związanej (pirogenetycznej) i zakłada się, że paliwo jest w stanie suchym. W przypadku paliw formowanych, dobór składu elementarnego przeprowa-dza się na podstawie rozwiązania problemu (3). Produktami wysokotemperaturowej roz-kładowej destylacji drewna są: mieszanina gazowa złożona z gazów niekondesujących i wody (CO2, CO, CH4, C2H4, H2O, N2) oraz koks, który w temperaturze procesu

odgazowa-nia TB=T4 (temperatura stanu równowagi) kierowany jest do pierwszej (I) warstwy gazo-generatora. Biorąc pod uwagę powyższe założenia, proces definiuje się jako niestechiome-tryczny. Podobnie jak w przypadku poprzednim (zgazowania), istotą bilansu materiałowego jest oszacowanie natężenia przepływu i składu strumienia gazu na wyjściu z generatora. Przy sporządzaniu bilansu bierze się pod uwagę strumień G3 i skład gazu (w postaci

ułam-ków molowych: n 3,3, n3,5, n3,6) będącego nośnikiem ciepła przepływającym z warstwy I do

warstwy II. Bilans materiałowy procesu odgazowania przedstawiają zależności (oznaczono: 1 - C, 2 - H2, 3 - O2, 4 - N2, 5 - H2O, 6 - CO2, 7 - CO, 8 - CH4, 9 - C2H4):

,

2

:

B

₁

x

_1,1

G

₃

x

_3,1

G

₄

x

_4,6

G

₄

x

_4,7

G

₄

x

_4,8

G

₄

x

_4,9

B

x

_B,1

c

⋅

+

⋅

=

⋅

+

⋅

+

⋅

+

⋅

−

⋅

(23)

,

2

4

4

2

2

2

:

B

1

x

1,2

G

3

x

3,2

B

1

x

1,5

G

4

x

4,8

G

4

x

4,9

G

4

x

4,5

h

⋅

+

⋅

+

⋅

=

⋅

+

⋅

+

⋅

(24) , 2 2 : B₁ x_1,3 B₁ x_1,5 G₃ x_3,7 G₄ x_4,6 G₄ x_4,7 G₄ x_4,5 o ⋅ + ⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅ + ⋅ (25)

,

2

2

2

:

B

1

x

1,4

G

3

x

3,4

G

4

x

4,4

n

⋅

+

⋅

=

⋅

(26)

,

1

4 , 4 5 , 4 9 , 4 8 , 4 7 , 4 6 , 4

+

x

+

x

+

x

+

x

+

x

=

x

(27) , 1 2 , 3 4 , 3 7 , 3 +x +x = x przy czym: x1,1+x1,2+x1,3+x1,4+x1,5=1, ₍₂₈₎ B G4=Ψ⋅ _, B1=Λ⋅B ₍₃₀₎

gdzie:

x

3,7

,

x

3,4

,

x

3,2 - udziały molowe CO, N2, H2 w strumieniu gazu G3. Ich wartości są

równe odpowiednio:

n

3,5

,

n

3,3

,

n

3,6 - oszacowane wyżej dla warstwy I gazogeneratora (tj. zgazowania). Natomiast G4=Ψ⋅B _i B1=Λ⋅B_{, to związki wynikające z założeń}

technolo-gicznych, przy czym

Ψ

i

Λ

są parametrami technologicznymi.

W układzie równań (23) – (31) występuje osiem niewiadomych: (1).wartości udziałów molowych: CO2, CO, CH4, C2H4, H2O i N2 w strumieniu G4; (2).strumień gazu G4;

(3).strumień paliwa G1. Pozostałe wartości, jak: skład elementarny paliwa, udziały molowe

składników gazowych w strumieniu G3 i wartość G3 są wielkościami zadanymi. Na

pod-stawie składu mieszaniny gazowej i wzoru Mendelejewa można obliczyć jej wartość opa-łową.

Ogólne równanie bilansu energetycznego procesu odgazowania dla warstwy II przyjmuje postać:

τ

d dQ H G H B H G H B O B B + ⋅∆ = ⋅∆ + ⋅∆ + ∆ ⋅ 1 3 3 4 4 1 (31)

gdzie: ∆HB1=∆HB1(TB1) _{- entalpia koksu, [kJ/kmol];} ∆H3 =∆H3(T3,p3,x3,7,x3,4,x3,2) _-

entalpia gazu syntetycznego z I warstwy generatora [kJ/kmol];

∆

H

B

=

∆

H

B

(

T

B

)

_{- entalpia}

biomasy, [kJ/kmol]; ∆H4=∆H4(T4,p4,x4,6,x4,7,x4,8,x4,9,x4,5,x4,4) _{- entalpia gazowych}

produktów procesu [kJ/kmol]; dQ0/dτ - strumień ciepła wydzielony w procesie odgazowa-nia, [kW ].

Z uwagi na to, iż proces odgazowania, tak jak i zgazowania, przebiega w warunkach

atmos-ferycznych, zakłada się

p =

3

p

4_{= 0,1013MPa. Ponadto, przyjmuje się temperaturę} stru-mienia gazu na wyjściu z generatora równą temperaturze w warstwie II, tj.

T

4_=1073K. Wartości entalpii w zadanych warunkach termodynamicznych oszacowano, podobnie jak w przypadku zgazowania, według następujących zależności:

- entalpia paliwa w postaci biomasy:

1

1 B

B c T

H = ⋅

∆ ₍₃₂₎

- entalpia gazu generatorowego:

, 4 298 4 4 4 , 4 5 5 , 4 9 9 , 4 8 8 , 4 7 7 , 4 6 6 , 4 4 dT c H x H x H x H x H x H x H T o śr p o f o f o f o f o f o f

∫

+ ∆ ⋅ + + ∆ ⋅ + ∆ ⋅ + ∆ ⋅ + ∆ ⋅ + ∆ ⋅ = ∆ (33)

gdzie: ∆Hof4, ∆Hof5, ∆Hof6, ∆Hof7, ∆Hof8, ∆Hof3 – standardowe entalpie tworzenia gazów wchodzących w skład strumienia G4 [kJ/kmol], cop4śr – średnia pojemność cieplna gazu w strumieniu G4 [kmol/h].

Entalpie tworzenia poszczególnych związków wchodzących w skład gazu generatorowego określono na podstawie tablic dostępnych w literaturze [15]. Ciepło właściwe otrzymanego gazu określa się z zależności:

).

(

_{4 4 4 4 4}2 _{4 4}3 9 4 4 4

x

a

b

T

c

T

d

T

c

_{j j j j} j j o śr p

=

∑

+

+

+

= (34)

Entalpię

∆

H

3 _{gazu otrzymanego w warstwie I generatora (zgazowanie) określa zależność} (20). Strumień ciepła wydzielony w procesie odgazowania określono z bilansu cieplnego warstwy II: . 4 4 3 3 1 1

_τ

d dQ H G H B H G H B O B B + ⋅∆ − ⋅∆ − ⋅∆ = ∆ ⋅ (35) Warunek zużycia paliwa B1 (biomasy drzewnej) w procesie wytwarzania gazu syntetycz-nego w generatorze przedstawionym na rys.2 określono na podstawie bilansu energetycz-nego warstwy I i warstwy II. Warunek ten przedstawia zależność:

τ

τ

d dQ d dQZ ₌ o (36) W związku z powyższym, zużycie biomasy w celu uzyskania 1[kmol/h] koksu i G4 [kmol/h] gazu syntetycznego wyniesie:

(

3 3 4 4 1 1 2 2

)

1 1 2 2 1 H G H G H G H G H B H B _B B ∆ ⋅ + ∆ ⋅ + ∆ ⋅ + ∆ ⋅ − ∆ ⋅ ∆ = (37) Poniżej sformułowano warunki uwzględniające prawdopodobną nierówność bilansową połączonych procesów w strefie zgazowania (I) i odgazowania (II):

,

τ

τ

d dQ d dQ_{Z O} >

τ

τ

d dQ d dQ_{Z O} < (38) W takich przypadkach spełnienie równości bilansowej wyrażonej zależnością (38) wyma-ga, aby do procesu zewnętrznego włączyć dodatkowe źródła ciepła.

4. Podsumowanie

Przedstawione rozważania, dotyczące statyki procesów generatorowych, obejmują – acz-kolwiek w pewnym uproszczeniu – zagadnienie wytwarzania gazu syntetycznego z biopa-liw. W rzeczywistości, sformułowanie algorytmu obliczeniowego wymaga uwzględnienia wielu czynników, które kształtują charakter procesów wymiany ciepła i masy w gazogene-ratorach pracujących w warunkach tzw. atmosferycznych. W tym celu niezbędne jest pod-jecie zaawansowanych badań eksperymentalnych, które przybliżą rozpoznanie wysokotem-peraturowych przemian fizykochemicznych zachodzących np. podczas suchego rozkładu paliw (odgazowania). Szczególnie dotyczy to identyfikacji początkowego stadium rozkładu zachodzącego w warunkach endotermicznych, co w omawianym przypadku pominięto. Z praktycznego punktu widzenia, każde paliwo, którego konwersję ma się zamiar przepro-wadzić w procesach generatorowych, wymaga na wstępie dokonania identyfikacji w zakre-sie analizy elementarnej - warunki (1), (2), (3), a następnie identyfikuje się zachodzące w nim przemiany termochemniczne. Kolejnym krokiem, jeśli chodzi o proces zgazowania, jest określenie warunków procesowych, takich jak np.: zapotrzebowanie czynników zga-zowujących (np.: powietrze czy para wodna) i temperatura w reaktorze, albowiem parame-try te mają istotny wpływ na kaloryczność uzyskanego gazu syntetycznego. Należy dodać, iż podobne procedury badawcze przeprowadza się dla identyfikacji procesu spalania. Bada-nia takie decydują o powodzeniu ekonomicznym i ekologicznym stosowaBada-nia gazogenerato-rów w energetyce. Przyjęta metodyka obliczeń może być zastosowana do wielowarianto-wych analiz symulacyjnych.

Pracę wykonano w ramach projektu badawczego rozwojowego R06 018 02 finansowanego przez MNiSZW ze środków przeznaczonych na naukę

Literatura

[1] Instytut Technologii Drewna w Poznaniu, Świadectwo nr 19 BOŚ-U-217/2006.

[2] Wandrasz J.W.: Podstawy procesów formowania paliw – paliwa formowane, Paliwa z odpadów T. IV, Praca zbiorowa pod redakcją J.W. Wandrasza i K. Pikonia, Wy-dawnictwo Helion, Gliwice (2003), s. 49-54.

[3] Poskrobko S.: Możliwości współspalania biomasy i paliw z odpadów z węglem z zas-tosowaniem przedpalenisk, Praca zbiorowa pod redakcją J.W. Wandrasza, „Termiczne unieszkodliwianie odpadów. Restrukturyzacja procesów termicznych”, Wydawnictwo PZiTS, Poznań (2007), s.133-148.

[4] Poskrobko S., Łach J., Woroniak G.: Paliwo z odpadów celulozowo-papierniczych, Paliwa z odpadów T. V, Praca zbiorowa pod redakcją J.W. Wandrasza i K. Pikonia, Wydawnictwo Helion, Gliwice (2005), s.77-88.

[5] Łach J., Sadowski K., Poskrobko S.: Forming of fuels from the cellulose-paper waste - I, Heat Transfer and Renewable Sources of Energy 2006, Editors: J. Mikielewicz, W. Nowak and A.A. Stachel, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin (2006), p.101-112.

[6] Łach J. Sadowski K.: Forming of fuels from the cellulose-paper waste – II, III, Heat Transfer and Renewable Sources of Energy 2006, Editors: J. Mikielewicz, W. Nowak and A.A. Stachel, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin (2006), p.112-134.

[7] Wandrasz J.W.: Zagadnienia formowania paliw, Paliwa z odpadów T. V, Praca zbio-rowa pod redakcją J.W. Wandrasza i K. Pikonia, Wydawnictwo Helion, Gliwice (2005), s.11-16.

[8] Łach J., Poskrobko S.: Formowanie paliw o limitowanym udziale gramowym chloru, Konferencja: Energia w Nauce i Technice, Suwałki (2007), Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, w druku.

[9] Nikitin W.: Chemia drewna i celulozy, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa (1955).

[10] Mejzner J., Malinowski S. i inni.: Technologia chemiczna organiczna, Wydawnictwo PWN, Warszawa (1957).

[11] Poskrobko S.: Koncepcja współspalania biomasy i paliw z odpadów z węglem ka-miennym w kotłach pyłowych, I Konferencja Naukowo Techniczna: Współczesne Technologie i Urządzenia Energtyczne, Jan Taler, Edytor, Kraków (2007), Wy-dawnictwo Politechniki Krakowskiej, s.503-518

[12] Tabiś B.: Zasady inżynierii reaktorów chemicznych, Wydawnictwo WNT, Warszawa (2000).