Технология и оборудование для получения новых видов топлив из отходов полимеров
Журнал: Вестник Витебского государственного технологического университета @vestnik-vstu
Рубрика: Химическая технология и экология
Статья в выпуске: 1 (16), 2009 года.
Бесплатный доступ
Предложен способ высокоскоростного термолиза отходов полимеров, при котором подвод тепла к перерабатываемому материалу интенсифицируется введением перегретого водяного пара в зону реакции. Результаты выполненных расчетов подтверждают возможность реализации данной технологической схемы для получения новых видов топлив. Проанализированы основные пути использования конечных продуктов переработки.
Похожие статьи в разделе Электротехника
Короткий адрес: https://sciup.org/142184544
IDS: 142184544
Текст научной статьи Технология и оборудование для получения новых видов топлив из отходов полимеров
В настоящее время высокоскоростной пиролиз (термолиз) органических материалов (в первую очередь отходов) рассматривается как метод для получения максимального количества жидких или газообразных продуктов топливного и сырьевого назначения.
Основная задача при реализации данного вида процесса – это подвод необходимой для термической деструкции энергии (теплоты) в течение интервалов времени, исчисляющихся секундами. Для решения этой задачи используется диспергированный органический материал и высокая разность температур между греющей поверхностью и частицами материала. При этом техническая реализация процесса осуществляется путем использования кипящего слоя, перемешивания и ряда других способов (инфракрасный нагрев, контактирование с нагретыми телами и др.) [1, 2].
Другой важной задачей при реализации технологии высокоскоростного термолиза является подавление вторичных реакций между продуктами разложения органического материала. Широко используемый в известных технологиях способ подавления вторичных реакций – это быстрая эвакуация продуктов разложения из реактора и быстрое их охлаждение путем организации высокоинтенсивного теплообмена в системе конденсации.
В настоящей работе предлагается способ решения вышеназванных задач, заключающийся во введении перегретого до температур свыше 1000 оС водяного пара в реактор термолиза со скользящим тонким слоем отходов. Это позволяет снизить концентрации газообразных продуктов разложения органических веществ и таким образом снизить (или полностью подавить) вероятность вторичного реагирования, а также интенсифицировать процесс подвода тепла к материалу.
Для реализации предложенного способа разработан специальный вращающийся реактор, а также система охлаждения и конденсации газообразных продуктов термического разложения органических составляющих отходов. Реактор представляет собой вращающуюся трубу с установленной внутри винтовой поверхностью, которая размещена в цилиндрической рубашке, содержащей пароперегреватель в виде змеевика. К рубашке реактора подключены горелки, в которых сжигается часть летучих продуктов разложения отходов. При вращении реактора органические отходы в виде тонкого слоя перемещаются по винтовой линии и контактируют с нагретой до температуры 600-800 оС внутренней поверхностью реактора. Таким образом, создается высокая разность температур между греющей поверхностью и частицами отходов, а необходимое для термолиза тепло передается как от нагреваемой продуктами сгорания стенки трубы, так и от перегретого водяного пара. Образующиеся в результате термолиза отходов летучие продукты разбавляются водяным паром и в виде парогазовой смеси выводятся в систему охлаждения и конденсации.
Рассмотрим два режима работы реактора I и II (см. табл. 1):
Таблица 1
|
I режим |
II режим |
|
|
T g – температура газового потока (вход и выход), оС |
1200 и 650 |
1100 и 550 |
|
T s – температура пара на входе в перегреватель, оС |
160 |
160 |
|
T s – температура потока перегретого пара (вход и выход), оС |
750 и 550 |
750 и 450 |
|
T t – температура парогазовой смеси (в реакторе), оС |
550 |
450 |
Обогревающая рубашка размещена вокруг реактора по винтовой линии с шагом 500 мм и имеет прямоугольное сечение 500 × 200 мм с учетом толщины стенок 10 мм. Таким образом, сечение для прохода продуктов сгорания равно 480 × 180 мм, а площадь сечения – 0,086 м2. Скорость течения газового потока в этом случае соответствует 12 м/с и 8 м/с. Расчет теплообмена при течении продуктов сгорания в обогревающей рубашке выполнен по известным соотношениям, которые приведены в табл. 2.
Таблица 2 – Расчет теплообмена в рубашке с пароперегревателем
|
I режим |
II режим |
|
(1200+650) / 2 = 925 оС – средняя температура продуктов сгорания, протекающих в обогревательной рубашке |
(1100 + 550)/ 2 = 825 оС; |
|
9, g = 12 м/с – скорость продуктов сгорания |
9 , g = 8 м/с |
|
A = 0.331 м – характерный размер |
A = 0.331м |
|
X g = 0.090 Вт/(м- о С) - теплопроводность газа при 925 оС |
X g = 0.080 Вт/м-оС -теплопроводность при 825 оС |
|
V g =130. 10-6 м2/с – кинематическая вязкость |
V g =110·10-6 м2/с |
|
Pr g = 0,60 |
Pr g = 0,61 |
|
Re g = ( 9 g A) / V g = (12.0,331) / 130-10 " 6 = 30554 |
Re g = (8·0,331) / 110·10-6= 27273 |
|
Nu g = 0.023 • ( 30554 ) 08 • 0.6043 = 71.5 |
Nug = 0.023 - ( 27273 ) 0.8 • 0.61 0'43 = 65,8 |
|
Nu •X 71.5 • 0.090 , 2 a =-----=----------= 19 Вт / м • g A 0.331 |
Nu •X 65.8 • 0.080 , 2 a =-----=---------- = 15.9 Вт/м • C g A 0.331 |
Характерный размер (диаметр) рассчитан следующим образом:
А = {4 (0,086 м2) / 3,14}0,5= 0,331 м.
В обогревающем канале размещен пароперегреватель (труба диаметром 150 мм). Таким образом площадь проходного сечения для продуктов сгорания в обогревающем канале равна S = 0,086 м2 - 0,017м2 = 0,069 м2.
Определим величину теплообмена излучением от продуктов сгорания к стенке обогревающего канала.
Удельный тепловой поток излучением и коэффициент теплоотдачи рассчитываются по формулам (1) и (2) соответственно:
q u = C o ' е
( 4 c
1100 J
( > 4
Tдг
( 100 )
где Т дг - средняя температура продуктов сгорания, Т дг = 925 оС и 825 оС; Т -средняя температура стенки обогревающего канала; Т С = 650 оС и 550 оС; С о -излучательная способность абсолютно черного тела, С о = 5,67 Вт/(м2-К4); £ -степень черноты продуктов сгорания, £ = 0,18.
Расчет по соотношению (1) и (2) дает значения удельных тепловых потоков и коэффициентов теплообмена излучением в режиме I и II соответственно:
q U = 13615 Вт, а Н = 49.5 Вт/(м2 К);
q U = 10152 Вт, ат Т = 37 Вт/(м2-К) .
Суммарный коэффициент теплоотдачи при Тдг = 925 оС и Тдг = 825 оС соответственно:
£ а Н = а к + а Н = 68,5 Вт/(м2-К), (3)
£ а т = а к + а Т = 52,9 Вт/(м2-К). (4)
Учитывая, что коэффициент теплоотдачи от внутренней стороны стенок обогревающего канала а с = 78 Вт/(м2 оС), определим коэффициент теплопередачи по формуле:
к =
1 δ 1
+ +
α λ α с
где б - толщина стенки, б = 0,010 м; X - коэффициент теплопроводности материала стенки, X = 22 Вт/(м-К).
Подставив в (5) численные значения коэффициентов теплоотдачи, получим значение коэффициента теплопередачи при Т дг = 925 оС и Т дг = 825 оС соответственно: K Н = 36 Вт/(м2-К) и K Т = 28,5 Вт/(м2К).
Определяем количество тепла, передаваемое при Т дг = 925 оС и Т дг = 825 оС по соотношению (6):
Q Нер = К Н ■ F ■( Т дг - Т Н ) (6)
В результате получим Q Нер = 497376 Вт и Q Тер = 393756 Вт. При этом учтено, что площадь поверхности обогревающей рубашки F = 50,24м2.
Таким образом, тепловая мощность (передача тепла только от продуктов сгорания) равна 497,376 кВт (0,497МВт) и 393,756 кВт (0,393 МВт).
Тепло от цилиндрической стенки рубашки передается стенке трубы, в которой смонтирован шнек в основном излучением. В канале, образованном стенкой рубашки и стенкой трубы (расстояние между стенками σ) практически отсутствует движение газовой среды и поэтому конвективный теплообмен весьма мал. Можно также пренебречь и теплообменом путем теплопроводности через газовый зазор между стенками. Расчет теплообмена от цилиндрической стенки рубашки может быть выполнен по соотношению:
arad = Co •£„ • / (2 - £w ) { -1- 4 - ^ 4} / (Т - Т), (7) rad0w w 100 ) 1 100 )
Для значений T 1 = 923 К (средняя температура цилиндрической стенки рубашки), Т 2 = 823 К (средняя температура стенки трубы, в которой смонтирован шнек) и е w = 0,85 (коэффициент теплового излучения стальной стенки рубашки) расчет по вышеприведенному соотношению дает a rad = 112 Вт/(м2К), а для значений T 1 =
823 К и Т2 = 723 К расчет по вышеприведенному соотношению дает a rad = 78 Вт/(м2·K).
Процесс термолиза полимеров состоит из их нагрева до 350-500 оС и последующего разрушения. В теории это можно рассмотреть как изотермический процесс [2, 3]. Для производительности по отходам G t = 1000 кг/ч получим необходимую мощность (без учета тепловых потерь):
Q t = G < "[ c p«) • ( 500 — 20 ) + h t ] , (8)
где ht = 230 кДж/кг – средняя теплота термолиза полимеров; Cp(t) = 1,67 кДж/(кг K) – удельная теплоемкость отходов; 20 оС – начальная температура отходов; 500 оС – конечная температура отходов. Расчет по соотношению (8) дает значение Qt = 0,29 МВт.
Передача тепла от продуктов сгорания к водяному пару осуществляется через стенку трубы пароперегревателя. Расчет пароперегревателя для перегрева рабочего водяного пара с определением величины коэффициентов теплопередачи выполнены на основании соотношений, приведенных в табл. 3 и 4. Анализ данных таблиц показывает, что количество передаваемого от продуктов сгорания тепла к водяному пару лимитируется теплообменом от продуктов сгорания к внешней стенке пароперегревателя, а не теплообменом от внутренней стенки трубы пароперегревателя к водяному пару.
Таблица 3 – Расчет теплообмена при течении водяного пара в пароперегревателе
|
I |
II |
|
1 |
2 |
|
d c = 0,15 м – диаметр трубы пароперегревателя X s = 0,04 Вт/(м оС) - теплопроводность пара ц = 2,15•Ю-6 , 2 s кгс/м2 – динамическая вязкость P s = 1,0 кг/м3 - плотность пара g Ц Л 1 1 6 2 / V s = ^-- 2Ы0 м /с р - кинематическая вязкость п 51= Pr - S s Л “ 2 s 1 4 0.0177м2 – площадь сечения трубы |
d c = 0,05 м X s = 0,04 Вт/(м^оС) ц= 2,15 40 "6 , 2 s , кгс/м2 P s - 1.0 кг/м3 g ц 1 1 /\ 6 2 / Vs =^!-- 21 ^ 10 м / с р Рг 2^ Prs - 1 |
Продолжение таблицы 3
|
1 |
2 |
|
Скорость потока: ».= G s =------ 1000------ . 15.7 s 3600 -p s - Ss 3600 - 1,0 - 0,0177 м/с Re = 9А = 15.7 - 0, 1 5 5 0,112 - 10 6 s v 21 - 10 - 6 Nu = 0.023 - Re 08 • Pr 043 Nus = 0,023 - ( 0,112 - 10 6 ) 0,8 - 10,43 = 252 Nu -X 252 - 0,04 2 r a =----- =--------= 67.2 Вт/ м - C s d 0,15 |
9 = -----1000----- ^ 139
Re =-^ d c = 139 - 0, ° 5 = 0,33110 6 s v 21 - 10 - 6 Nu = 0.023 - Re 08 - Pr 043 Nu . = 0,023 - ( 0,331 - 10 6 ) °,8 - 1 °,43 = 599 Nu-X 599-0,04 - a =----=-----,— = 479 Вт / м 2 - C s d 0,05 |
Таблица 4 – Расчет теплообмена от продуктов сгорания к трубе пароперегревателя
|
I |
II |
|
1200 + 650 = 925 0 C |
1100 + 550 _ 0 |
|
2 – средняя температура |
2 |
|
9, g = 12 м/с – скорость нагревающего газа |
9 . g = 8 м/с |
|
d out = 0,16 м - внешний диаметр трубы |
d out = 0.06 м |
|
X g = 0,08 Вт/(м о С) - теплопроводность газа v = 180 - 10 - 6 м 2 /с s кинематическая вязкость Pr g " 0,74 Re 9 d out = 12 - 0,16 ~ 10667 |
X g = 0,075 Вт/(м оС) v s = 170 - 10 - 6 м 2 / с Pr g " 0,74
Re
= ^ |
|
g v 180 - 10 - 6 |
|
|
Nu = 0.177 - Re 0'64 - Pr 0'43 |
Nu = 0.177 - Re 064 - Pr 0-43 |
|
Nug = 0,177 - ( 10667 ) 0,6 4 - 0,740,43 = 58,8 |
Nug = 0,177 - ( 2824 ) 0,6 4 - 0,740,43 = 25.1 |
|
„ _ Nu -X_ 58,8 - 0,08 |
|
|
g d out 0,16 |
Nu -X 25.1 - 0,08 2 a =-----=---------= 33.5 Вт/м - C g d out 0,06 |
Вычисление общего коэффициента теплопередачи между продуктами сгорания и водяным паром, проходящими по пароперегревателю, представлены в табл. 5.
Таблица 5 – Расчет коэффициента теплопередачи
|
I |
II |
|
K R(g + .) = 11 = 1 1 = 20-4 ВТ /м2 - C + + a g a ra d 29.4 67.2 |
K R(g+s) = n-----r = 33 Вт/м 2 - C 1 35.5 479 |
Тепло, необходимое для перегрева пара до заданной температуры, рассчитано следующим образом (табл. 6):
Таблица 6 – Расчет необходимого тепла для перегрева водяного пара расходом 1000 кг/ч
|
I режим |
II режим |
|
Q s = G s • C p(s) • ( T ss - T s1 ) = =1000·0,5·(750 – 160) = 0,295 Гкал/ч = = 0,34 МВт |
Q s = G s • C p(s) • ( T ss - T s1 ) = = 1000·0,5·(750 – 160) = 0,295 Гкал/ч = = 0,34 МВт |
Определим поверхность трубы пароперегревателя и его длину (табл. 7):
Таблица 7 – Расчет величины поверхности и длины трубы пароперегревателя
|
I |
II |
|
Q s _ 0,34 • IO6 2 F =------=--------— 28,2 M K •A T 20.4 • 590 F 28,2 L = — =------— 56 м n d 3,14 • 0,16 |
F = -Qi- = 0,34 . 101 — 31.7 m 2 K •A T 33 • 325 F 317 L = — =------— 168м n d 3,14 • 0,06 |
Выполненные расчеты показывают, что технология высокоскоростного термолиза отходов полимеров для получения новых видов топлив может быть реализована с использованием вращающегося реактора. При этом из отходов полимеров, например, смеси полиэтилена, полипропилена, полистирола и резины путем высокоскоростного термолиза могут быть получены жидкие, газообразные и твердые продукты. Жидкие продукты по своим основным показателям являются аналогами жидких топлив, производимых из нефтяного сырья (мазут, печное топливо). Газообразные продукты могут использоваться как заменители природного газа, а твердые продукты могут найти применение в качестве фильтрующих материалов для очистки промышленных стоков.
Список литературы Технология и оборудование для получения новых видов топлив из отходов полимеров
- Железная, Т. А. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 1/Т. А. Железная, Г. Г. Гелетуха//Промышленная теплотехника. ─ Том 27. ─ №4. ─ С. 91-100.
- Железная, Т. А. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2/Т. А. Железная, Г. Г. Гелетуха//Промышленная теплотехника. ─ Том 27. ─ №5. ─ С. 79-90.
- D.V. Aristarkhov, G.I. Zhuravskii. Modeling of the Vapor Thermolysis of Rubber Waste//Journal of Engineering Physics and Thermophysics. Vol. 74, №6, 2001.
- G.I. Zhuravskii, V.A. Sychevskii. Numerical Calculation of Vapor Thermolysis of Organic Wastes//Journal of Engineering Physics and Thermophysics. Vol. 674, № 6, 2003.
