Теплофизика высоких температур, 2022, T. 60, № 3, стр. 448-454

ВВЕДЕНИЕ

Использование биомассы в качестве топлива приобретает все большее значение в настоящее время. К биомассе относятся древесные и сельскохозяйственные отходы, отходы жизнедеятельности различных видов. Это местный топливно-энергетический ресурс, объемы которого на многих территориях достигают значительных величин. При использовании биомассы в качестве топлива не нарушается природный баланс СО₂. Растения поглощают углекислый газ в период роста, то же самое количество двуокиси углерода выделяется в атмосферу при сжигании топлив из биомассы. Дисбаланс СО₂ наступает, когда на поверхность извлекается топливо, которое изначально находилось в толще земли, при этом механизма нейтрализации углерода, который в таком топливе содержится, в природе не существует. При сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасывается избыточная для экобаланса двуокись углерода.

Биомасса – это также значительное количество отходов, энергетическая утилизация которых является оптимальным направлением сокращения вредного антропогенного влияния на природное равновесие.

Одной их технологий получения из биомассы твердых энергетических топлив является торрефикация ‒ нагрев в безокислительной среде перерабатываемого сырья из биомассы до температур 250–300°С. При торрефикации повышается теплотворная способность биотоплива, снижается вес. Например, для гранулированного древесного топлива (пеллет) с исходной теплотворной способностью 14‒17 МДж/кг при торрефикации теплотворная способность возрастает до 19‒24 МДж/кг. В результате термической обработки существенно повышается гидрофобность биотоплива и устойчивость к атмосферным и биологическим воздействиям [1]. Последнее позволяет избежать необходимости соблюдения специальных условий при хранении и транспортировке топлив из биомассы с целью предотвращения их контакта с воздушной средой, при котором содержание влаги в топливах увеличивается.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТОРРЕФИКАЦИИ

Торрефицированное биотопливо может служить заменой ископаемому углю в традиционных топках, обладая близкими к последнему теплотехническими свойствами, но при этом меньшей зольностью и содержанием серы, а также являясь CO₂-нейтральным топливом. При сгорании биотоплива растительного происхождения выделяется столько же углекислого газа, сколько было поглощено из атмосферы в процессе роста растений [2].

Термическая переработка биомассы, а именно древесины, имеет многовековую историю. В XV–XIX веках для получения древесного угля, в частности для металлургического производства, использовался так называемый процесс углежжения. Углежжение – это процесс, когда древесина складывалась в кучи либо в яму и поджигалась, при распространении горения эти кучи засыпались землей, таким образом они изолировались от доступа воздуха. При нагреве до температур порядка 300°C в древесине происходили реакции экзотермического выделения тепла, за счет которого осуществлялся процесс карбонизации с получением древесного угля [3]. Управление данным процессом было достаточно сложным и опасным. В процессе углежжения древесины образовывались водород и окись углерода, которые накапливались под наружным покрытием перерабатываемой древесины. Неконтролируемое скопление данных газов могло приводить к взрывам. Количество получаемого древесного угля и его свойства определялись температурными режимами процесса при экзотермическом разогреве перерабатываемой биомассы. С целью получения угля требуемого качества необходимо осуществлять контроль за режимными параметрами процесса. Это представляло достаточно трудную задачу и требовало высокой квалификации углежогов. С конца XIX в. с развитием производства металлургического кокса из угля процесс углежжения уже не использовался.

В настоящее время торрефикация рассматривается как перспективный процесс переработки биомассы с получением качественных твердых топлив. Исследования по созданию технологий торрефикации проводятся во многих научных центрах мира [4‒9]. Но до настоящего времени промышленных технологий торрефикации не создано. Насколько можно судить из анализа литературных данных, главной причиной этого является то, что существующие разработки в области торрефикации не окупаются при их промышленном использовании, т.е. выгоды, получаемые от использования торрефицированного топлива, не компенсируют затрат на его получение.

Главной задачей при создании конкурентно-способной промышленной технологии является снижение затрат энергии при производстве торрефицированного топлива.

В Объединенном институте высоких температур РАН разработана новая энергоэффективная технология торрефикации биомассы, в основе которой лежит использование энергии экзотермического эффекта, которая выделяется при пиролизе биомассы [10, 11].

На основе этой технологии создана экспериментальная установка [12], реактор с подвижным слоем которой представляет собой вертикальный теплоизолированный стальной цилиндр объемом 80 л, снабженный заслонками, отделяющими секции загрузки и охлаждения, производительностью порядка 150 кг/ч торрефицированной продукции.

Сверху в реактор засыпается предварительно высушенная при температурах 120‒130°С биомасса (пеллеты). Сушка осуществляется за счет использования тепла отходящих газов процесса. В нижнюю часть реактора подается горячий теплоноситель заданной температуры (250‒280°C), а в секцию охлаждения – бескислородный охлаждающий агент (с температурой 30°C). По высоте реактора установлены термопары для контроля и управления процессом торрефикации. По мере прогрева нижнего слоя до заданной контрольной температуры открывается заслонка и порция торрефицированных пеллет выгружается в секцию охлаждения. На ее место сверху из загрузочного бункера поступает порция такого же объема исходной высушенной и подогретой до температуры 120°C биомассы. При взаимодействии биомассы, остающейся в реакторе после частичной выгрузки, с газами, которые используются для нагрева, и за счет экзотермического эффекта температура в слое повышается до 280‒300°C. Снова следует частичная выгрузка биомассы и загрузка свежих порций из сушильного аппарата. Таким образом, в установке реализуется квазинепрерывный режим торрефикации. Как показали эксперименты, за счет экзотермических эффектов энергоэффективность процесса возрастает примерно в 4‒6 раз по сравнению с традиционным процессом торрефикации, когда температура в рабочей зоне реактора ограничивалась до 250°C, производительность установки составила 40 кг/ч при расходе теплоносителя, на 40% большем по сравнению с режимом с управляемой экзореакцией. При подобном сокращении потребления энергии процесс торрефикации становится экономически оправданным.

Использование эффекта экзотермического разогрева сопряжено с определенными сложностями. Термодеструкция биомассы сопровождается эндо- и экзотермическими реакциями [13], тепловая энергия которых пропорциональна скорости этих реакций и имеет экспоненциальную зависимость от температуры [14]. При пиролизе, например, древесных отходов при 270‒300°C превалируют экзотермические реакции (деструкция гемицеллюлозы). Подъем температуры за счет экзоэффекта носит лавинообразный характер. Использование выделяющейся при этом тепловой энергии требует четкого контроля и управления процессом с целью ограничения роста температуры и исключения перехода режима торрефикации в углежжение. В представляемой технологии это осуществляется за счет быстрой циклической выгрузки слоя торрефицированной биомассы с очагом развивающегося экзотермического разогрева в секцию охлаждения. В зависимости от выгружаемого объема торрефицированной продукции период циклической выгрузки может составлять от нескольких секунд до нескольких минут. Чем меньше выгружаемый объем, тем меньше период и меньше амплитуда температурных колебаний. Чем выше уровень экзотермического перегрева и чем на большую величину температура в контрольной точке превышает температуру греющего теплоносителя, тем выше энергоэффективность и производительность установки.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ

При многочасовом эксперименте на установке торрефикации ОИВТ РАН в переходном режиме наряду с температурными колебаниями, связанными с периодической выгрузкой, проявились низкочастотные колебания температуры. На рис. 1 изображено изменение температуры в различных сечениях реактора торрефикации в процессе этого эксперимента 20 марта 2018 г.

На первом этапе осуществлялся прогрев всей установки. Температура теплоносителя на входе в секцию торрефикации постепенно поднималась до 275°C, температура биомассы в нижних слоях реактора достигала 290°C, превысив температуру теплоносителя, а в верхних ‒ 240°C. С этого момента началась периодическая выгрузка – при достижении контрольной температуры (290°C) открывалась на короткое время нижняя заслонка для выгрузки очередной порции 8 л торрефицированных пеллет, такой же объем “холодной” (120°C) исходной биомассы загружался сверху. Весь столб биомассы сдвигался вниз, снижая общий уровень температуры во всех сечениях по высоте реактора. Температура в нижних слоях достаточно быстро за счет экзотермической реакции (за несколько десятков секунд) достигала контрольного значения и опять срабатывала заслонка – выгружалась следующая порция готовой продукции. Таким образом организуется циклический квазинепрерывный режим, а на графике температуры формируются высокочастотные колебания с амплитудой около 10°C и периодом 2‒3 мин.

В верхних слоях реактора (0.9H) начало периодической выгрузки отмечено резким падением температуры с 270 до 110°C. Дальнейший прогрев средних и верхних слоев биомассы, в отличие от нижних, происходит с существенным запаздыванием. Тепловая энергия в эти слои поступает за счет конвективного потока греющего теплоносителя и выделяющихся пиролизных газов. Характерное время распространения данной тепловой волны обратно пропорционально общей теплоемкости загруженной биомассы и составляет для данного эксперимента десятки минут. С определенного температурного уровня сначала в нижних слоях, затем – выше активизируется экзотермическая реакция, за счет чего темп нагрева возрастает лавинообразно, и в какой-то момент времени температура в средних слоях оказывается выше, чем в нижних. На температурной кривой наблюдается верхний пик. В этот момент выгрузка очередной порции торрефицированной биомассы из нижних слоев в зону охлаждения не снижает температуру в контрольной точке, так как в эту область сдвигаются слои с более высокой температурой. Для обеспечения необходимого температурного уровня в контрольной точке частота и объем выгрузки автоматически возрастают и реактор быстрее заполняется свежими, “холодными”, порциями сырья, что приводит к общему снижению температуры в реакторе. На температурной кривой этот момент характеризуется спадом. Затем постепенно тепловая волна поднимается вверх ‒ происходит общий рост температуры. Формируются низкочастотные колебания.

Для сечений, расположенных на уровне 1/3 и 2/3 высоты, наблюдаются двухчастотные колебания – высокочастотные с периодом выгрузки очередной порции торрефиката и амплитудой порядка 10°C и низкочастотные с периодом около часа и амплитудой более 100°C.

На рис. 1 видно, что примерно через 3 ч от начала эксперимента тепловая волна экзотермической реакции резко идет вверх – температура в сечении 1/3H оказалась выше, чем температура на входе, а в сечении 2/3H еще выше. В этот момент выгрузка одной порции ~8 л нижнего слоя пеллет в зону охлаждения не позволила остановить экзотермическую реакцию, так как очаг реакции оказался выше. Чтобы погасить развитие “экзотермики” и не допустить общего перегрева, блок управления автоматически сократил период выгрузки до нескольких секунд. После прохождения температурного пика частота выгрузки вернулась к значениям 2–3 мин. Примерно через час на температурном подъеме эта ситуация повторилась.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ТОРРЕФИКАЦИИ

Численные эксперименты по моделированию переходных процессов в реакторе торрефикации гранулированной биомассы с подвижным слоем проводились в предположении двухступенчатой модели деструкции биомассы [14], в которой первичные реакции распада исходной биомассы эндотермические, а вторичные – экзотермические.

Предполагается, что скорости реакций описываются формулой Аррениуса [15]:

где k_i – константа скорости соответствующей реакции (1/с), A_i – предэкспоненциальный множитель (1/с); E_i – энергия активации (Дж/моль); R = = 8.314 Дж/(моль К) – универсальная газовая постоянная.

Процессы термохимического преобразования биомассы в цилиндрическом реакторе торрефикации с прямым нагревом сырья греющим газом описываются системой дифференциальных уравнений сохранения массы и энергии для каждого из рассматриваемых компонент в твердой и газовой фазе в приближении нестационарной одномерной модели, при этом предполагается, что изменение исследуемых параметров по радиусу реактора незначительно по сравнению с изменениями по высоте.

Математическая модель представлена системой дифференциальных уравнений в частных производных:

уравнение сохранения массы для твердой фазы (исходной, активированной и торрефицированной биомассы)

уравнение сохранения массы для газовой фазы уравнение энергии для твердой фазы уравнение энергии для газовой фазы общий баланс массы Здесь ρ, C, λ – плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности соответственно; T – температура; τ – время; x – координата по высоте реактора; ε – пористость; α – коэффициент теплоотдачи; U – скорость; G – массовый расход газа; q – внутренний источник тепла (тепловые эффекты эндотермических и экзотермических реакций); k – скорость химической реакции; S – источник массы; H – высота реактора; индексы: s – твердая фаза, v – газовая фаза (основной теплоноситель, пиролизные газы и пары смол), a – исходная биомасса, c – торрефикат, g – газ, t – пары смол, eff – эффективная величина, in – параметры на входе в реактор, out – параметры на выходе из реактора.

Внутренний источник тепла определяется суммой тепловых эффектов всех реакций:

где Δh_i – удельная энтальпия соответствующей реакции (Дж/кг); нижние индексы t, g, c, g2, c2 – реакции образования паров смол, пиролизных газов, торрефиката, вторичные реакции преобразования смол в газ и торрефикат.

Гранулы биомассы представляются твердыми сферами одинаковых диаметров с регулярной упаковкой в предположении, что диаметр сфер и пористость слоя в процессе низкотемпературного пиролиза не меняются. В этом приближении коэффициент эффективной теплопроводности зернистого слоя с учетом теплопроводности газовой фазы и излучения можно рассчитать в приближении модели Куни [16, 17].

Для расчета коэффициента теплоотдачи используется выражение для эффективного числа Нуссельта, предложенное в [18] для зернистого слоя при значениях эффективного числа Рейнольдса Re_e > 30:

Числа Нуссельта и Рейнольдса рассчитываются по эффективному гидравлическому диаметру, учитывающему удельную поверхность частиц.

Энергоэффективность процесса торрефикации характеризуется удельными энергозатратами на получение 1 кг торрефиката [19]:

где G_s – производительность реактора, G_g – массовый расход греющего газа, ΔH_g – уменьшение энтальпии теплоносителя в реакторе.

Численные эксперименты выполнялись с использованием программы [20] для экспериментальных условий на установке ОИВТ РАН. Кинетические параметры и тепловые эффекты реакций (1) взяты из работы [14].

На рис. 2 изображены расчетные кривые изменения температуры биомассы во времени в процессе прогрева и выхода реактора на квазистационарный режим в различных сечениях по высоте.

На первой стадии прогрева наблюдается плавный рост температуры биомассы по всей высоте реактора. При достижении контрольной температуры (300°C) в нижних слоях секции торрефикации примерно через 800 с выполняется первая выгрузка – выгружается порция торрефицированных пеллет в зону интенсивного охлаждения. Весь столб оставшейся биомассы опускается вниз, более холодные слои смещаются в зону подачи горячего теплоносителя, сверху засыпается порция такого же объема исходного сырья с температурой 120°C, наблюдается снижение температуры во всех сечениях реактора.

В процессе прогрева на начальной стадии температура в верхних слоях реактора поднялась до 240°C. Затем с началом выгрузки торрефицированной биомассы и загрузки свежих порций исходного сырья с температурой 120°C начинается перестройка температурного профиля по высоте реактора. Наиболее резкое снижение температуры наблюдается в верхних слоях реактора. Температура в нижних слоях достаточно быстро за счет экзотермической реакции (за несколько десятков секунд) достигает контрольного значения и опять срабатывает заслонка – выгружается следующая порция готовой продукции. Формируются высокочастотные температурные колебания с амплитудой около 10°C.

За счет тепловой инерции переход от стадии первоначального прогрева к рабочему квазистационарному режиму сопровождается тепловой “раскачкой” ‒ низкочастотными температурными колебаниями с периодом ~20 мин и амплитудой несколько десятков градусов. В связи с тем, что теплоноситель подается снизу, разогрев нижних слоев происходит в большей степени, чем средних и верхних слоев. На входе в реактор терморегулятор поддерживает постоянную температуру газового теплоносителя, и поэтому в этой области амплитуда температурных колебаний биомассы минимальна и составляет несколько градусов. В верхние слои реактора тепловая волна доходит с существенным запозданием и амплитуда температурных колебаний здесь существенно больше. В представленном варианте квазистационарный рабочий режим устанавливается через 2‒3 периода низкочастотных колебаний, что составляет ~1 ч. При этом удельные энергозатраты на производство 1 кг торрефиката составили η = 84 кДж/кг.

Наличие низкочастотных колебаний (тепловой “раскачки”) в переходных режимах торрефикации обусловлено именно экзотермическими реакциями, которые вызывают лавинообразный локальный перегрев отдельных слоев биомассы. Такой переходный процесс характеризуется положительной обратной связью – небольшое увеличение температуры приводит к экспоненциальному росту темпа прогрева. Переходные режимы термодеструкции биомассы из одного в другое равновесное состояние, в которых экзоэффект не наблюдается, осуществляются без тепловой “раскачки”.

Численные эксперименты показали, что при определенном сочетании режимных параметров, когда экзотермический перегрев (разность температур в контрольной точке и теплоносителя на входе в реактор) превысил определенное значение, эти колебания могут стать незатухающими и установившийся режим не достигается (рис. 3).

Значение температуры на всех уровнях реактора от нижних слоев (0.1H) до верхних (0.99H) изменяется с амплитудой до 180°C и периодом ~20 мин. При этом удельные энергозатраты возрастают в полтора раза (η = 117 кДж/кг), а отдельные слои биомассы находятся недостаточное время при температуре торрефикации (выше 250°C), не обеспечивая равномерность термообработки сырья.

В установке ОИВТ РАН для управления процессом торрефикации с использованием экзотермической реакции предусмотрено два блока управления: задание необходимой температуры теплоносителя на входе в реактор и управление выгрузкой определенного объема торрефицированных пеллет с очагом развивающейся экзотермической реакции.

Для сглаживания тепловой “раскачки” переходный процесс необходимо проводить с переменными режимными параметрами. Циклическая выгрузка после стадии прогрева должна начинаться без экзотермического перегрева, т.е. когда температура в контрольной точке равна температуре греющего теплоносителя, и при минимальных объемах выгружаемой продукции. Затем по мере прогрева всего реактора экзотермический перегрев и объем выгружаемых порций возрастает, тем самым повышая энергоэффективность и производительность установки.

На рис. 4 показано изменение температуры в различных сечениях реактора при переходном режиме после 700 с прогрева с плавным ростом в течение 40 мин выгружаемых объемов от 0.5 до 3.5 л и экзотермического перегрева за счет снижения входной температуры теплоносителя от 300 до 275°C.

При таком режиме низкочастотные температурные колебания в верхних и нижних слоях реактора практически полностью подавлены, в средней части реактора амплитуда таких колебаний снижена до 50°, а переходный процесс ограничен одной волной. Кроме того, плавное изменение режимных параметров позволяет повысить энергоэффективность процесса. Удельные энергозатраты в таком режиме составили менее 80 кДж/кг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хотя авторам неизвестны работы, в которых описывается использование эффекта экзотермического разогрева перерабатываемого материала при торрефикации, анализ существующих в литературе схем экспериментальных установок показывает, что эффект экзотермического разогрева в существующих установках по торрефикации наблюдался. Об этом свидетельствует наличие в данных установках специальной системы отвода тепла из реакционной зоны, которая состоит из теплообменников, по которым пропускается теплоноситель, отводящий тепловую энергию экзотермических реакций [21].

Разработанная в ОИВТ РАН технология торрефикации с использованием управляемого экзоэффекта позволяет существенно снизить энергозатраты на получение готового продукта, что делает производство торрефицированной продукции экономически выгодным.

Результаты выполненных исследований свидетельствуют о том, что экзотермическая реакция, используемая в представленной технологии, обладает “своенравным” характером, вызывая трудно контролируемый лавинообразный рост температуры, а в переходных режимах еще и тепловую раскачку. Видимо, в силу этих причин в существующих торрефикационных установках стараются не допускать развития экзотермической реакции, ограничивая рабочую температуру процесса и отводя выделяющееся тепло.

Предложен механизм управления процессом торрефикации с экзотермическим эффектом, обеспечивающий повышение энергоэффективности процесса и плавные без тепловой раскачки переходные режимы работы реактора. Для использования внутренней энергии и контроля за экзотермической реакцией в представленной технологии применяются два блока управления: управление температурой теплоносителя на входе в реактор и управление периодом выгрузки и объемом выгружаемой порции готовой продукции. Автоматика установки контролирует не только текущую температуру в нижних сечениях зоны торрефикации, но и температурную тенденцию с учетом тепловой инерции всей установки, плавно меняя параметры на входе, объем выгружаемой продукции и частоту выгрузки.