Date post: | 29-Jun-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | monalinamares |
View: | 166 times |
Download: | 0 times |
CAPITOLUL 3.
INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ A
PROCESULUI DE GAZEIFICARE A BIOMASEI
ÎN STRAT FIX INVERSAT
3.1. Descrierea instalaţiei experimentale
Studiul experimental privind contribuţiile la studiul procesului de gazeificare a
biomasei în strat fix inversat, a necesitat realizarea (concepţie, proiectare şi execuţie) unei
instalaţii experimentale la scară pilot de laborator, a cărei schemă este redată în figura 3.1.,
compusă din următoarele componente principale:
- reactorul de gazeificare, inclusiv elementele de măsură şi reglare (1-n);
- sistemul de alimentare a fazei solide, biomasă – sorg;
- sistemul de alimentare a agentului de gazeificare, inclusiv elementele de măsură şi
reglare (m-p);
- sistemul de evacuare a produşilor de reacţie, inclusiv elementele de măsură şi
reglare (p-q)
- 72 -
Fig. 3.1. Schema instalaţiei experimentale
- 73 -
În figura 3.2. se prezintă instalaţia propriu-zisă de laborator, utilizată la determinările
experimentale.
Fig. 3.2. Instalaţia de laborator pentru gazeificarea biomasei.
Reactorul de gazeificare biomasa (foto)
Sistemul de alimentare cu biomasă constă dintr-un buncăr de secţiune transversală
pătrată. La bază, pereţii formează o pâlnie care îngustează secţiunea de trecere pentru a
- 74 -
permite trecerea peletelor de biomasa. Pereţii pâlniei au un unghi de înclinare de 60º faţă de
orizontală, pentru a evita blocarea curgerii peletelor în buncăr. La partea inferioară a
buncărului se află racordul de evacuare, prevăzut cu o flanşă dreptunghiulară.
Pentru a evita pătrunderea gazelor sau a aburului în buncăr şi umidificarea sau chiar
aprinderea biomasei, la partea superioară s-a prevăzut un capac etanş, iar într-unul din pereţii
laterali se afla un racord la refularea ventilatorului de aer. Din buncăr, biomasa este preluată
cu un dozator celular cu 6 palete. Dozatorul este antrenat de un motor de curent continuu
prevăzut cu un reductor de turaţie melcat.
Reactorul de gazeificare este format din două elemente principale: reactorul de
gazeificare propriu-zis şi separatorul gaz-solid. Reactorul de gazeificare este de formă
cilindrică şi este realizat din tablă de oţel inoxidabil refractar. La exterior, este prevăzut cu un
strat de izolaţie termică rezistentă la temperaturi ridicate. În partea superioară, în zona liberă
de deasupra stratului, pe peretele lateral sunt amplasate: racordul alimentare aer, racordul
alimentare abur şi racordul pentru gazele de ardere de la arzătorul de pornire. Alte două
racorduri– de abur şi de aer – sunt prevăzute în zona de reducere.
Prin flanşa inferioară se face legătura cu separatorul gaz-solid, care constă dintr-o
pâlnie care se termină la partea inferioară cu o conductă verticală, prin care se evacuează
cenuşa. În pereţii pâlniei sunt practicate orificii prin care gazele trec într-o cameră de separare
de secţiune inelară, care funcţionează pe principiul ciclonului. Gazele sunt evacuate printr-un
racord tangenţial amplasat la partea superioară, iar cenuşa antrenată din pâlnia reactorului de
gazeificare se separă la partea inferioară, în pâlnia ciclonului, care comunică cu canalul de
evacuare a cenuşii.
Sistemul de evacuare a cenuşii este format dintr-un dozator celular, de mici
dimensiuni, similar celui de alimentare cu biomasă. Dozatorul se racordează la flanşa
canalului de evacuare a cenuşii de la reactorul de gazeificare. La partea inferioară, printr-o
altă flanşă, se racordează canalul de scurgere către rezervorul de cenuşă.
Sistemul de alimentare cu abur, este redat în figura 3.3. Iniţial sistemul de
alimentare cu abur era format din două componente principale – un vaporizator şi un
supraîncălzitor.
În timpul experimentărilor de gazeificare efectuate pe instalaţia pilot de laborator s-a
constatat că o parte din aburul introdus în reactor condensează pe traseul de conducte dintre
supraîncălzitor şi reactorul de gazeificare înainte să ajungă în contact cu biomasa, datorită
lungimii traseului. De aceea instalaţia de producerea aburului a fost modificată faţă de
varianta iniţială utilizată. Astfel, aburul necesar în procesul de gazeificare s-a produs prin
introducerea unui debit de apa reglat cu ajutorul unei pompe dozatoare, printr-o ţeava situată
- 75 -
într-o rezistenţă electrică de 1 kW. Acest sistem de încălzire este termostatat prin intermediu
sistemului de achiziţie date, care are posibilitatea să întrerupă alimentarea cu abur la o
temperatură maximă prestabilită de 500C şi să repornească alimentarea la o temperatura
minimă prestabilită 480C. Aburul rezultat prin evaporarea apei introdusă în acest sistem de
încălzire este alimentat direct în conducta prin care reactorul de gazeificare este alimentat cu
aer preîncălzit primar (de ardere) şi secundar (de uscare).
Experimentele efectuate pentru demonstrarea soluţiei tehnice de gazeificare au fost
realizate utilizând acest sistem de producere a aburului.
Fig. 3.3. Instalaţia de laborator pentru gazeificarea biomasei
sistem de alimentare cu abur (1); instalaţie de ardere pentru pornire (2)
Instalaţia de ardere pentru pornire (figura 3.3) este destinată aprinderii biomasei
din reactorul de gazeificare la pornire, şi este formată din: ventilator de aer, arzător pe
combustibil lichid, focar, pompă de combustibil, rezervor de combustibil.
Sistemul de alimentare cu aer (figura 3.4) este format dintr-un ventilator de aer, o
sursă de oxigen, un preîncălzitor de aer şi conductele aferente.
- 76 -
1
2
Preîncălzitorul de aer constă dintr-un canal prevăzut cu rezistoare electrice montate
vertical, cu circulaţie transversala a curentului de aer. Între refularea ventilatorului de aer şi
intrarea în preîncălzitor sunt amplasate racordul către buncărul de biomasă şi racordul la
butelia de oxigen. La ieşirea din preîncălzitor, aerul îmbogăţit în oxigen se distribuie în partea
superioară şi în partea inferioară a reactorului de gazeificare, reglajul făcându-se prin jocul de
vane amplasate pe cele două conducte.
Linia de oxigen/aer este formată din:
o butelie de oxigen/compresor;
o conducta pentru transportul oxigenului/aerului;
o sistem de măsurare a debitului de oxigen/aer.
(a)
(b)Fig. 3.4. Sistem alimentare agent gazeificare: (a) - aer primar; (b) – aer secundar.
- 77 -
2
Sistemul de răcire şi desprăfuire gaze combustibile, este redat în figura 3.5. În urma
experimentelor s-a constatat că gazele rezultate conţin şi urme de praf care pot dauna
procesului de separare şi purificare ulterioara a gazului combustibil. Pentru reducerea
conţinutului de praf, pe traseul de evacuare a gazului a fost montat un ciclon (fig. 3.5).
Fig. 3.5. Instalaţia de laborator pentru gazeificarea biomasei detaliu ciclon
3.2. Condiţii de operare a instalaţiei pilot
Testarea performanţelor instalaţiei experimentale s-a realizat prin urmărirea:
- parametrilor de operare
- identificarea condiţiilor de operare optime,
astfel încât gazul combustibil rezultat să aibă un conţinut mare de hidrogen, iar randamentul
de obţinere să fie comparabil cu rezultatele prezentate în literatura de specialitate.
- 78 -
3.2.1. Caracterizarea materiei prime
Materia prima care a fost utilizată în experimentele efectuate este reprezentată de
sorg sub forma de pelete - biomasa agricolă.
În tabelul 3.1 sunt prezentate caracteristicile fizico-chimice ale peletelor utilizate în
experimentele de gazeificare, respectiv analiza tehnică şi cea elementară.
Dimensiunile acceptabile ale combustibilului solid, depind într-o anumita măsură de
tipul reactorului de gazeificare. Astfel pentru reactorul de gazeificare ales, dimensiunile sunt
recomandate a fi între 10x10x10 mm şi 30x30x30 mm.
Tabel 3.1. Analiza tehnică şi elementara a peletelor de sorg utilizate
Nr.
crt.Component Simbol UM Valoare
1 Umiditate Wi % 17,00
2 Cenuşă Ai % 4,80
3 Carbon Ci % 41,30
4 Hidrogen Hi % 5,20
5 Azot Ni % 1,60
6 Oxigen Oi % 30,10
7 Sulf Si % urme
8
Putere
calorifică
superioară
Qis
kcal/kg 3718
kJ/kg 15560
*i – condiţii iniţiale
Forma în care combustibilul este alimentat în reactorul de gazeificare are impact din
punct de vedere economic asupra gazeificării. Compactarea biomasei a fost practicată în
Statele Unite în ultimii 40 de ani. Exista procedee de compactare a tuturor tipurilor de
biomasa în “cuburi de energie”. Acestea sunt disponibile în forme cilindrice sau cubice şi au
densitatea cuprinsă între 600-1000 Kg/m3. În tabelul 3.2 se prezintă distribuţia granulometrica
a peletelor de sorg determinata prin cernerea pe site:
- 79 -
Tabel 3.2. Distribuţia granulometrica a peletelor de sorg
Nr. crt.
Dimensiunea medie a fracţiei granulometrice, dp, mm
Fracţie masică
Trecut,T % Rămas, R %
1. 20 4,00 100,00
2. 20-15 58,00 96,00
3. 15-10 15,00 38,00
4. 10-5 6,00 23,00
5. 5-2,5 5,00 17,00
6. 2,5 7,00 12,00
100
3.2.2.. Etapele fluxului tehnologic
Etapele fluxului tehnologic sunt prezentate în figura 3.6.
a) Biomasa, care în prealabil este supusă proceselor de uscare naturală, tocare şi
peletizare, este alimentată în buncărul reactorului de gazeificare.
b) Alimentarea reactorului de gazeificare cu pelete de biomasa se face prin intermediul
unui dozator cilindric.
c) Cu ajutorul arzătorului de aprindere pe baza de combustibil lichid, are loc iniţierea
procesului de ardere a biomasei.
d) Agentul de gazeificare folosit este reprezentat de un amestec de abur şi aer îmbogăţit
cu O2. Aburul este produs prin sistemul vaporizator-supraîncălzitor şi introdus în proces la
- 80 -
500C. Aerul este mai întâi îmbogăţit cu O2 şi apoi cu ajutorul unui preîncălzitor este încălzit
şi introdus în sistem la o temperatură de 300C.
Fig. 3.6. Fluxul tehnologic pentru instalaţia de gazeificare a biomasei
e) În reactorul de gazeificare au loc progresiv următoarele procese:
- uscare peletelor de biomasa; apa obţinuta participând şi ea la procesul de
gazeificare;
- pirogenare – descompunerea (cracarea) materialului de biomasă uscată,
eliminându-se astfel materiile volatile;
- 81 -
Determinare compoziţie gaz
Gazde
gazeificare
Alimentare buncar reactor de gazeificare
Reactor de gazeificare
Uscare
Pirogenare
Gazeificare
Dozare pelete biomasa
Preîncălzitor aer
Aer
Ventilator aer
Supraîncălzitor abur saturat
Vaporizator apa
Apa
Separator particule grosiere
Dozare cenuşa
Separare particule fine
Cenuşa
O2
Arzător pornire
Pelete de biomasa
- gazeificare –proces de oxidare-reducere prin care materialul solid este transformat
în produs de gazeificare şi cenuşa.
f) Gazul de reactor de gazeificare format trece într-o primă etapă printr-o pâlnie ce
acţionează ca ciclon în care sunt separate particulele solide grosiere, iar apoi printr-un ciclon
turbionar care separă particulele solide fine.
g) Cenuşa rezultată este eliminată din proces cu ajutorul unui mic dozator şi stocata
într-un colector de cenuşa.
h) Compoziţia chimică a gazului de reactor de gazeificare rezultat se determină cu
ajutorul unui analizor de gaze TESTO.
3.2.3. Sistemul de automatizare
Sistemul de achiziţie a datelor este format din traductoare, placă de achiziţie a
datelor, convertor, calculator şi software specializat. Datele furnizate de traductoare sunt
transmise la placa de achiziţie a datelor, apoi sunt convertite în semnal digital şi salvate în
calculator. Software-ul serveşte atât la setarea parametrilor de funcţionare ai sistemului de
achiziţie, cât şi pentru prelucrarea ulterioară a acestora.
În figura 3.7 este redată schema instalaţiei de gazeificare cu poziţionarea punctelor
de măsura a principalelor date tehnologice si de operare.
Fig. 3.7. Schema instalaţiei de gazeificare a biomasei şi punctele de măsură
- 82 -
Legenda fig. 3.7. O2 = butelie oxigen
A = arzător PA = preîncălzitor aer
AM = arzător motorină PM = pompă motorină
B = buncăr biomasă RM = rezervor motorină
DB = dozator biomasă S1 =supraîncălzitor
DC = dozator cenuşă V = vaporizator
F = focar VA1 = ventilator aer gazeificare
G = reactor de gazeificare VA2 = ventilator aer ardere
În tabelul 3.3 sunt prezentaţi parametrii de operare, cu domeniul de variaţie, redate în
figura 3.7.
Tabelul 3.3. Parametrii măsuraţi şi domeniul de variaţie
Punct de măsură
Fluidul de lucruParametrul
măsuratDomeniu de măsură
1 Apăpresiune 0 – 5 bartemperatură 0-100ºC
2 Abur saturatpresiune 0 – 5 bartemperatură 0 – 160ºC
3 Abur supraîncălzit
debit 0 – 10 kg/hpresiune 0 – 5 bartemperatură 0 – 500ºC
4 Abur supraîncălzitdebit 0 – 10 kg/hpresiune 0 – 5 bartemperatură 0 – 500ºC
5 Gaze combustibile
debit 0 – 150 m3/hpresiune 0 – 5 mbartemperatură 0 – 500ºC
compoziţie0-100% CO, H2, CO2, H2O
6 Biomasă turaţie 0 – 120 rot/min
7Gaze de ardere sau aer
îmbogăţit cu O2
debit 0 – 250 m3/hpresiune 0 – 50 mbartemperatură 0 – 1000ºC
8 Aer gazeificaretemperatură 0 – 80ºCconcentraţie O2 0 – 80%
9Aer gazeificare
preîncălzit
debit 0 – 90 m3/hpresiune 0 – 50 mbartemperatură 0 – 350ºC
10Aer gazeificare
preîncălzit
debit 0 – 90 m3/hpresiune 0 – 50 mbartemperatură 0 – 350ºC
11Material granular
(cenuşă)turaţie dozator 0 – 120 rot/min
12 - 15 Gaze de arderepresiune diferenţială 0 – 10 mbar
temperatură 0 – 1000ºC
- 83 -
Măsurarea parametrilor de operare s-a realizat cu următoarele aparate specifice:
- pentru măsurarea presiunii absolute şi diferenţiale s-au utilizat traductoare tip pastilă
semiconductoare lipită pe o diafragmă din oţel inoxidabil, în tabelul 5.4 fiind prezentate
domeniile de măsura şi sensibilitatea pentru fiecare tip de traductor utilizat:
Tabel 34. Tipuri de traductoare de presiune şi intervale de măsura
DispozitivInterval de
presiuneSensibilitate
Tensiune
generata
MPX2010DP* 0 – 10 KPa±0.01 KPa
(1 mmH2O)25 mV
MPX5010DP 0 – 10 KPa±0.01 KPa
(1 mmH2O)0.19÷4.7 V
MPX5050DP 0 – 50 KPa±0.05 KPa
(5 mmH2O)0.19÷4.7 V
MPX2100AP** 15 – 115 KPa±0.1 KPa
(10 mmH2O)40 mV
MPX5100AP 15 – 500 KPa±0.1 KPa
(10 mmH2O)0.19÷4.7 V
Nota(*) Sufixul DP semnifică faptul că traductorul respectiv este utilizat pentru măsurarea presiunii
diferenţiale
(**) Sufixul AP semnifică faptul că traductorul respectiv este utilizat pentru măsurarea presiunii
absolute.
- pentru măsurarea temperaturilor mici - termometre din sticla cu mercur (0 - 100C);
- pentru măsurarea temperaturilor mari - termorezistenţe RTD-686 caracterizate
printr-o lungime a tecii de 15 cm şi un diametrul de 1/8'' (0 - 500C);
- pentru măsurarea debitelor - traductor de debit format din elementul sensibil tip
diafragma ES-D, care sesizează şi transformă debitul de lichid Q într-o diferenţa de presiune,
proporţionala cu pătratul debitului; din convertorul C, care transformă diferenţa
de presiune, , într-o deplasare unghiulara; din adaptorul AD, la ieşirea căruia se obţine un
semnal electric I1 = 2…10 mA (sau 4…20 mA), proporţional, de asemenea, cu pătratul
debitului;
- pentru determinarea compoziţiei gazului de reactor de gazeificare s-a folosit un
analizor de gaze TESTO 350XL echipat cu:
o module de măsura pentru O2, CO2, CO, H2, SO2, NO, NO2, HC;
- 84 -
o indicator electronic al presiunii (tub Pitot din oţel inoxidabil, 350 mm lungime) la
punctul de proba;
o indicator electronic temperatură (termocuplu NiCr-Ni) la punctul de proba; filtre
pentru reţineri particulelor fine;
o pompă pentru absorbţie gaz de probă;
o ventilaţie automată cu aer;
o sonda de oţel inoxidabil cu lungime de 4 m pentru prelevare gaz;
o cablu metalic de interconectare cu lungimea de 5 m.
3.2.4. Agentul de gazeificare. Parametri de operare
Agentul de gazeificare utilizat este reprezentat de un amestec abur-aer. Studiul
experimental va urmări stabilirea performantelor procesului de gazeificare in condiţiile
imbogatirii aerului din agentul de gazeificare, cu diferite concentraţii de O2 cuprinse in
domeniul [10-50] % vol O2.
Studiul experimental al procesului de gazeificare a biomasei (sorg), s-a efectuat în
următoarele condiţii:
materia primă: pelete de biomasa (pelete de sorg);
debitul mediu de biomasa, 25 kg/h;
agent de gazeificare: abur şi aer îmbogăţit in oxigen ;
temperatură preîncălzire aer, 350ºC;
debit abur, 3 Nm3/h;
temperatură abur, 500C;
debit gaze reactor de gazeificare, 40-45 Nm3/h;
volum specific de gaz rezultat, Vg = 1,6-1,9 Nm3/kg;
introducerea amestecului de abur şi aer pentru gazeificare s-a făcut la temperaturi cuprinse
între 350 - 450 ºC;
procesul de gazeificare s-a desfăşurat în condiţii de autotermicitate, la temperaturi
cuprinse în domeniul 850 - 930C, parametrii de lucru stabiliţi putând fi păstraţi, reacţiile
exoterme reuşind să acopere necesarul de căldură pentru desfăşurarea proceselor endoterme
(compoziţia gazului obţinut la temperaturi sub 800C a fost necorespunzătoare din punct de
vedere al componenţilor care ne interesează respectiv CO şi H2);
temperatura gazului de reactor de gazeificare în zonele: uscare, pirogenare, ardere -
gazeificare precum şi temperatura agentului de gazeificare (aer îmbogăţit cu O2 /aer îmbogăţit cu
- 85 -
O2 preîncălzit /abur saturat /abur suprasaturat) este măsurată cu termocupluri, respectiv
termorezistenţe - parte a sistemului de achiziţie de date;
presiunea de lucru: atmosferică.
Operaţiile tehnologice care se desfăşoară sunt următoarele:
Producere abur ca agent de gazeificare:
intrare apa vaporizator: 30C;
ieşire abur saturat: 144C;
intrare abur saturat supraîncălzitor: 144C;
ieşire abur supraîncălzit: 500C.
Aprindere preliminara (de pornire) a biomasei.
Preîncălzire aer îmbogăţit cu oxigen:
intrare aer preîncălzitor: 20C;
ieşire aer preîncălzit: 300C.
Uscarea peletelor de biomasă:
temperatura: 120-150C;
intrare: pelete de biomasa ce au fost uscate în prealabil pe cale naturală;
ieşire: biomasa uscată cu o umiditate de sub 15%.
Pirogenarea peletelor de biomasă:
temperatura: 400C;
intrare: pelete de biomasă ce au fost uscate în etapa precedentă;
ieşire:
o fracţie solidă: material solid, constând în mangal până la 98%;
o fracţie lichidă: fracţii de hidrocarburi lichide grele;
o fracţie gazoasă: hidrocarburi gazoase, oxid si dioxid de carbon.
Gazeificarea mangalului:
temperatura: 800 – 900C;
intrare: fracţie solidă (mangal) care nu conţine materii volatile;
ieşire: - fracţie solidă: cenuşa;
fracţie gazoasă: produs de gazeificare.
Separare particule grosiere şi fine.
Analiza gazului de reactor de gazeificare pentru determinarea conţinutului de
hidrogen.
- 86 -
3.3. Concluzii
In scopul studiului de stabilire a performantelor procesului de gazeificare a sorgului
utilizând ca agent de gazeificare amestec abur-aer imbogatit cu O2, s-a conceput proiectat si
realizat instalaţia experimentala la scara pilot de laborator, cu reactor de gazeificare in strat fix
inversat.
Pentru studierea influenţei compoziţiei agentului de gazeificare asupra calităţii
gazului rezultat au fost realizate teste la care debitele de aer şi de oxigen au satisfăcut rapoarte
volumetrice de oxigen şi aer cuprinse în domeniul: 5:95, 10:90, 20: 80 ; 30:70; 50:50.
Materia primă care a fost utilizată în determinările experimentale efectuate este
reprezentată de peletele de sorg - biomasa de origine agricolă.
- 87 -