4.4 Работоспособность установки пиролиза бытовых отходов
Ранее, в главе «Состояние проблемы надежности», были рассмотрены современные учебники по дисциплине «Общая химическая технология» [38 – 40]. Анализ приемов и методов синтеза технологических систем, приведенный в этих учебниках, показывает многовариантность и в схемном решении, и в выборе процессов переноса, и набора оборудования. Число таких вариантов – астрономическое, но объединяет их все – химическая технология, т.е. последовательность переделов сырья в целевой продукт ХТС.
В глазах разработчиков все эти варианты равно возможны, осталось лишь выбрать оптимальный вариант, причем критерием оптимальности являются какие-то показатели экономической эффективности. Практически сделать этот выбор невозможно из-за обилия вариантов.
Протянем синтезаторам технологических систем «соломинку». Суть предложения – сепарация заведомо неработоспособных вариантов. Эти варианты практически не реализуемы, а потому оценивать их экономическую эффективность бессмысленно.
Сепарацию заведомо не работоспособных вариантов предлагаем делать, оценивая вероятность работоспособности толькохимической технологии. Основанием такого решения является то обстоятельство, что учет еще и процессов переноса, учет работоспособности оборудования только уменьшат вероятность работоспособности ХТС. Говоря языком математики, вероятность работоспособности химической технологии является точной верхней гранью вероятности работоспособности всей системы. Лучше не будет ни при каких обстоятельствах.
Мы поставили себя в типичную ситуацию: химики-технологи предлагают некий химизм превращений, а мы должны «одеть в железо» эту технологию. Далее найдем вероятность работоспособности химической технологии и по ее величине различать «хорошая» она или «плохая».
Исходное сырье представляет собой зернистый материал. Частицы имеют цилиндрическую форму с соотношением диаметра к высоте примерно 1.5 – 2. Диаметр частиц – 3 мм. Сами частицы довольно твердые, и, если есть необходимость, то их можно дробить.
Химический состав – n(С6Н10О5). Первый передел – нагрев зернистого материала до температуры < 3300С.
Второй передел – разложение органики по реакции (предложено n=1):
С6Н10О5→ 6С+5Н2О – 12, 4 кДж/кмоль (4.4.1)
Реакция (4.4.1) – необратима. Скорость реакции разложения:
dmгр/dτ = -k*mгр*ехр(-Е/RT) кг/с.
Если t < 3300C, то k = 3,5*10-3с-1; Е = 22 кДж/моль.
Если t > 3300C, то k = 3,4*10-7c-1; Е = 84 кДж/моль.
По существу в результате разложения гранул бытового мусора они превращаются в гранулы кокса, а пары воды образуют сплошную фазу.
Реакция разложения (4.4.1) естественно эндотермическая, а по сему необходим подвод теплоты извне через стенку теплообменного устройства. Химики рекомендуют вести реакцию (4.4.1) при t = 8000С ± 500С.
Далее поток частиц кокса и водяного пара смешивается с дополнительным потоком водяного пара с параметрами Р = 2МПа и Т = 8000С для проведения следующего передела – образование синтез-газа по реакциям:
С + Н2О ↔ СО + Н2– 11,0 кДж/кмоль (4.4.2)
В паро-газовой фазе происходит еще одна реакция:
СО + Н2О ↔ СО2+ Н2+ 1, 47 кДж/кмоль. (4.4.3)
Последнюю реакцию химики рекомендуют считать практически мгновенной, т.е. сразу наступает состояние равновесия. При этом константа равновесия равна:
Кр= ехр((-0,768*lnT)+1/T(4,94*103+1,51*100T+
+3,01*10-4T2-9,66*10-7T3+1,46*10-10T4)).
Cкорость реакции (4.4.2) описывается уравнением:
QH2O= 14,4 exp(-E/RT)*qH2O; моль Н2О/м2с. E = 1,66*105кДж/кмоль.
В результате после обеих стадий пиролиза получается поток золы (неорганические элементы, попавшие в сырье), СО, Н2, СО2, Н2О с температурой 4500С – 5000С. Судьба этого потока нас далее не интересует, хотя понятно, что следует очистить этот поток от диоксида углерода и от паров воды (желательно не охлаждая) и затем направить в установку синтеза метанола.
На рис. 4.4.1 представлена последовательность переделов технологии пиролиза бытовых отходов с целью получения синтез-газа..
Рис. 4.4.1. Последовательность переделов технологии
при пиролизе бытовых отходов.
Сразу укажем перечень заданных параметров технологического плана:
1. Температура нагретого зернистого сырья – 3200С ± 100С. Действительно, если сырье недогрето, то нагрев до температуры разложения будет происходить в первой части пиролизатора. Но тогда сырье не успеет разложиться и во вторую часть пиролизатора поступит неразложившееся сырье и на выходе появится кокс. Степень превращения сырья в синтез газ уменьшится, да еще на стадии очистки синтез газа придется избавляться от кокса. Если же перегреть зернистый материал сверх разрешенной температуры, то разложение сырья будет происходить уже в аппарате нагрева зернистого материала. При наличии кислорода взрыв неизбежен.
2. Температура двухфазного потока на выходе из первой стадии пиролиза – 8000С ± 500С. При t < 7500С сырье не до конца разложится и поступит во вторую часть пиролизатора. В конце концов, на выходе из нее появится кокс. Снова уменьшение степени переработки сырья в целевой продукт и появление забот с очисткой синтез газа от кокса. Перегрев, т.е. t > 8500С сместит реакции синтеза из второй стадии в первую. Двухфазный поток на входе во вторую часть пиролизатора будет перегрет и это сместит равновесие реакции (4.4.3) влево, водорода в смеси станет меньше, нарушится соотношение Н2и СО, и газы станут непригодны для синтеза метанола. Дело в том, что на второй стадии пиролиза одна реакция эндотермическая, а другая – экзотермическая. Поддерживать температуру в разрешенном диапазоне здесь по существу означает поддерживать на выходе необходимое соотношение концентраций водорода и оксида углерода.
Таким образом, выход этих заданных параметров из своих разрешенных диапазонов является отказом технологии или в виде взрывов в аппарате нагрева зернистого материала, или производством брака.
Теперь начнем «одевать в железо» рассматриваемую технологию. Нагрев зернистого материала можно осуществить многими способами: пневмотранспорт горячими газами, вихревые аппараты, фильтрующий слой частиц, псевдоожижение. Кажется, других вариантов процессного оформления нет. Достоинства псевдоожиженного слоя (ПС) по сравнению с другими приемами нагрева зернистого материала очевидны: изотермичность по объему слоя, развитая поверхность теплообмена частиц, удобство борьбы с уносом, простота загрузки и выгрузки. Если же еще в аппарате ПС создать небольшое разрежение 5 – 10 мм вод. ст, то загрузку можно вести внасыпь и сам аппарат не будет пылить горячими частицами в помещение цеха.
Подвод теплоты к зернистому материалу в первой части пиролизатора с необходимостью заставляет применить топочное устройство для сжигания или природного газа, или мазута. Других вариантов не видно. Образующиеся топочные газы направляем в теплообменное устройство первой части пиролизатора. Топочные газы из первой части пиролизатора направляем во вторую часть пиролизатора, в его теплообменное устройство.
Далее наступает «головная боль» экономической эффективности и экологической безопасности. Топка для сжигания топлива и сам пиролизатор представляет собой печное устройство с высокой температурой топочных газов на выходе. Необходима утилизация теплоты топочных газов после пиролизатора. Вариант единственный: этими газами предлагаем нагревать зернистый материал в аппарате псевдоожиженного слоя. С пылью «сражаемся» специальной конструкцией этого аппарата и установкой горячего циклона. Уловленную пыль возвращаем в нагретый сырьевой поток.
Температура топочных газов на выходе из аппарата ПС еще довольно высока (3200С). Поэтому предлагаем нагревать воздух на горение топлива в топочном устройстве с помощью теплообмена с топочными газами, выходящими из горячего циклона. Такое решение позволит экономить затраты топлива на всю технологию.
Из-за высоких температур сам аппарат ПС, газоходы и арматура, циклон и дымосос должны изготавливаться из нержавеющей стали, которая хорошо «работает» при t < 5000C.
Пиролизатор.Подвод теплоты к поверхности частиц сырья или кокса приходится осуществлять через стенку. Точечный контакт частиц со стенкой исключает подвод теплоты. Следовательно, необходимо нагреть паро-газовую фазу и уже она будет нагревать частицы. Предлагаем организовать молекулярный механизм переноса и теплоты и массы, а интенсификацию обеспечим малыми характерными размерами. Формализация физико-химико-гидродинамической математической модели, обработка этой модели методом натуральных масштабов, определение габаритов и параметров процесса представлена в [2].
На рис. 4.4.2 представлена технологическая схема процесса пиролиза, которую далее будем исследовать на работоспособность.
Рис. 4.4.2. Вариант технологической схемы, процессного и аппаратурного оформления технологии пиролиза бытового мусора. ☻- заданные химико-технологические параметры.
Стремление к утилизации теплоты в дымовых газах на выходе из пиролизатора заставляет совершить два «преступления» против надежности системы. «Преступление» в том, что выход направляется на вход системы (в аппарат с ПС). Кроме того, «одевая в железо» предложенную технологию, пришлось создать аж две обратные положительные связи. Действительно, В случае пульсации температуры дымовых газов на входе в первую стадию пиролиза автоматически произойдет пульсация температуры на входе в аппарат ПС. Она вызовет пульсацию температуры нагретого сырья на входе в первую стадию пиролиза. Одновременно, произойдет пульсация температуры на выходе из аппарата ПС и, как следствие, появится пульсация температуры нагретого воздуха на входе в топку.
Расчет вероятности работоспособности химической технологии со схемным решением на рис. 4.4.2 дает величину оценки 0,61 [74]. Повторимся – учет заданных параметров процессов переноса в аппарате ПС, в пиролизаторе и оборудовании эту оценку вероятности работоспособности только уменьшит и сделает ее < 0,5.
Причины такой ничтожной надежности – два контура обратной положительной связи и слишком малый разрешенный диапазон отклонения для температуры газов (8000± 500) между частями пиролизатора. За экономическую эффективность, т.е. утилизацию теплоты и экономию топлива, приходится расплачиваться малым качеством разработки.
Теплоту дымовых газов на выходе из пиролизатора и теплоту газов на выходе из аппарата ПС следует использовать где-то на стороне, вне самой технологии пиролиза.
Рассмотренный пример применения метода исследования работоспособности показывает, что можно и нужно еще на стадии разработки регламента нового производства отделять малонадежные варианты и технологии, и ее аппаратурного оформления.