capitolul iii v1

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


8 Aer gazeificaretemperatură 0 – 80ºCconcentraţie O2 0 – 80%

9Aer gazeificare

preîncălzit


10Aer gazeificare

preîncălzit


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 -

capitolul iii v1

Documents