Влияние влажности стебли хлопчатника (гуза-паи) и интенсивности теплового потока на скорость пиролиза

В данной статье показаны результаты исследований влажности гуза-паи на важные показатели, в частности, на производительность греющей стенки реактора, а также влияние интенсивности теплового потока на показатели пиролиза. Также нами были изучены причины, обусловливающие неоднородность поля температур при слоевом пиролизе гуза-паи.

Термовлагопроводность гуза-паи, зависящая от его влажности, влияет на продолжительность пиролиза гуза-паи, удельный расход энергии (тепла) и иные важнейшие характеристики процесса. В случае, если внутри гуза-паи существуют градиенты влажности и температуры, то влага при сушке перемещается: а) в результате наличия градиента влажности (влагопроводность), б) в результате наличия градиента температуры (термовлагопроводность).

В гуза-паи, как в коллоидно-капиллярно-пористом теле, термовлагопроводность слагается из термодиффузии жидкости пара, т. е. из капиллярной термовлагопроводности и относительной термодиффузии пара в воздух.

При наличии температурного градиента, вследствие термодиффузии, обусловленной молекулярным движением, газ перемещается по направлению потока тепла, в результате чего возникает градиент плотности газа. Градиент плотности стремится вызвать обычную диффузию в противоположном направлении. Противоположное движение будет продолжаться до тех пор, пока обычная диффузия не уравновесит термодиффузию, после чего наступает стационарное состояние. В случае неоднородности газа в смеси возникает относительная термодиффузия. Более тяжелый газ движется по направлению потока тепла, а более легкий - в обратном направлении.

А. В. Линовым впервые экспериментально подтверждено, что влага при небольших температурных градиентах перемещается в виде жидкости, и ее перемещение обусловлено молекулярным движением. Такое перемещение была названо термодиффузией влаги. Капиллярная влага, находясь в гуза-паи, перемещается по направлению потока тепла (от горячих мест к холодным), не только в силу термодиффузии, но и вследствие уменьшения капиллярного потенциала на горячем конце.

С повышением температуры, поверхностное натяжение уменьшается, следовательно, создается разность в капиллярном давлении.

Между горячим и холодным концами капилляра p₂ ³ p₁, так как капиллярное давление .

Это разница создаёт эффект стремления жидкости по направлению потока тепла, что и называется термовлагопроводностью капиллярно-пористого тела.

В полостях клеток гуза-паи, как известно, находится не только пар, но и воздух, следовательно, в частично заполненных сосудах имеется влажный воздух, т. е. смесь двух газов.

Последнее обстоятельство ведет к относительной термодиффузии. Воздух, приведенный вес которого , будет диффузировать по направлению потока тепла, а пар молекулярный, вес которого m=18, будет перемещаться против потока тепла, т. е. будет диффундировать из гуза-паи.

Таким образом, термовлагопроводность в гуза-пае слагается из термодиффузии жидкости и пара, капиллярной термовлагопроводности и относительной термодиффузии пара и воздуха.

Влияние это недостаточно изучено, в связи с чем, нами были проведены специальные исследования пиролиза гуза-паи с влажностью 110, 15 и 25 %. При объеме 10³ м, крупность гуза-паи составила: (0–2; 2–5; 5–10; 10–25; 25–40; 40–80) и целики. Результаты опытов приведены в табл. 1. В таблице можно увидеть, что влажность существенно влияет на длительность пиролиза и удельный расход энергии (тепла). Характерно также и то, что независимо от влажности, наибольшую скорость пиролиза имеет гуза-пая с оптимальной крупностью (32–63) × 10–³. Это легко получить при обработке кривых зависимости продолжительности пиролиза от крупности. Из вышеприведенного материала также следует, что наблюдается конвективный теплоперенос [1,2].

Таблица 1

Влияние влажности гуза-паи на показателя пиролиза

При исследовании влияния влажности гуза-паи на скорость ее пиролиза, интересным представляется установление производительности греющей стенки реактора (q кг/м²×ч), связь которой с характеристиками и продолжительностью процесса определяется следующей зависимостью:

                                                                                                                         (1)

где G- масса загрузки гуза-паи, кг; F — греющая поверхность реактора м²; t — продолжительность пиролиза, сек.

Опытным путем было установлено, что для мелких фракций значение q заметно возрастает при снижении исходной влажности гуза-паи, тогда как для крупных фракций это различие весьма мало (табл. 2.). Дело здесь видимо в том, что в случае мелких фракций испаряющаяся влага не имеет возможности быстро эвакуироваться из слоя, что способствует появлению изотермического периода сушки. При этом не наблюдается и сближения температур в точках замера для пиролиза сырья неодинаковой влажности. Использование крупного сырья, слой которого содержит большие пустоты, снижает указанные затруднения.

Таблица 2

Влияние влажности гуза-паи на удельную производительность греющей поверхности реактора

Зависимость удельной производительности греющей поверхности реактора от одновременного изменения крупности и влажности исходного материала может быть выражена в общем виде многочленом.

                                                                                              (2)

где L — крупность гуза-паи, 10–³ м; w — начальная влажность %. Из табл. 2 видно, что зависимость от каждого из этих параметров не линейна. В этом случае значения коэффициентов в_i могут быть найдены из системы уравнений, составленной по методу Гаусса:

                                                                    (3)

Вычисление значений сумм в этой системе и последующие ее решения с помощью ЭВМ позволило установить окончательный вид уравнения (2)

                                          (4)

Статистический анализ уравнения (4) показал, что оно адекватно отражает результаты опытов.

Влияние интенсивности теплового потока на производительность греющей стенки при одновременном изменении и влажности гуза-паи можно установить одномерным сечением уравнения (4). Интенсивность теплового потока также влияет на протекание пиролиза при постоянной влажности (табл. 3). Эти зависимости в конечном итоге одинаковы.

Таблица 3

Влияние интенсивности теплового патока на показателей пиролиза гуза-паи.

Продолжительность работы греющей стенки реактора растет с увеличением интенсивности теплового потока. Эти явления тем заметнее, чем мельче фракции гуза-паи. Причины их лежат в затруднениях конвективного теплопереноса.

Выводы.

1.         Термовлагопроводность гуза-паи, в зависимости от ее влажности влияет на продолжительность пиролиза, удельный расход энергии (тепла) и иные важнейшие характеристики процесса. Влияние это недостаточно изучено, поэтому нами были проведены специальные исследования пиролиза гуза-паи с влажностью 10, 15 и 25 %.

2.         Опытным путем было установлено, что для мелких фракций значение производительности греющей стенки реактора (кг/м²×τ), заметно возрастает при снижении исходной влажности, тогда как для крупных фракций это различие весьма мало.

3.         Продолжительность пиролиза гуза-паи сокращается и производительность греющей стенки реактора с увеличением интенсивности теплового потока.

Литература:

1.         Петров В. С., Левин Э. Д. Графо-аналитической метод расчета продолжительности пиролиза древесных материалов. Межвузовский сборник трудов «Химия и химическая технология древесины». Красноярск. 1973, вып.1. с. 79–80.

2.         Chirkov V. G. Heat and Power on the Basis of Fluid Fuels Produced by Thermolysis of Plant Biomass. // Proc. of the 9^ch Int. Conf. Ecological Energy Resources in Agriculture. Sept. 17–18, 2004. Rowland diaries (Lithuania). P. 101–105.