ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ ПИРОЛИЗНОГО ГАЗА

Опубликовано Петенко Анна Владимировна вкл 29.04.2015 - 18:36

Автор:

Измоденов Данил Денисович

Мой отец постоянно интересуется разными вариантами нетрадиционных способов обогрева помещения, последнее время он активно искал информацию про пиролиз. Я очень заинтересовался этой темой и решил поучаствовать совместно с родителем в процессе получения пиролизного газа.

Возникшие вопросы:

ü Что такое пиролизный газ?

ü Как получить пиролизный газ?

Цель: получение пиролизного газа.

Проводя данное исследование, были поставлены следующие задачи:

1 Получить новые знания о природе пиролиза.

2 Узнать, как происходит образование пиролизного газа.

3 Узнать строение пиролизного котла.

4 Получить пиролизный газ с помощью опытного образца газогенераторного котла.

ГИПОТЕЗА: горение топлива возможно при недостатке кислорода.

Методы и приёмы: наблюдение, эксперимент, опыты.

Для выполнения исследовательской работы потребовались статьи и материалы, опубликованные в Интернете, а также вспомогательный материал для проведения эксперимента.

Скачать:

Вложение	Размер
rabota_izmodenov_6b.docx	49.82 КБ

Предварительный просмотр:

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1 Теоретическая часть

1.1 ЧТО ТАКОЕ ПИРОЛИЗ?

1.2 ПИРОЛИЗНЫЕ КОТЛЫ

1.3 ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ПИРОЛИЗНЫХ КОТЛОВ

1.4 КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИРОЛИЗНОГО КОТЛА

2. Практическая часть

2.1 ПОЛУЧЕНИЕ ПИРОЛИЗНОГО ГАЗА

3. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

4. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. РИСУНКИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСОБЕННОСТИ РОЗЖИГА КОТЛА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ ПИРОЛИЗНОГОЙ ГАЗА

ВВЕДЕНИЕ

Возникшие вопросы:

Что такое пиролизный газ?
Как получить пиролизный газ?

Цель: получение пиролизного газа.

Проводя данное исследование, были поставлены следующие задачи:

Получить новые знания о природе пиролиза.
Узнать, как происходит образование пиролизного газа.
Узнать строение пиролизного котла.
Получить пиролизный газ с помощью опытного образца газогенераторного котла.

ГИПОТЕЗА: горение топлива возможно при недостатке кислорода.

Методы и приёмы: наблюдение, эксперимент, опыты.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1 Теоретическая часть

1.1 ЧТО ТАКОЕ ПИРОЛИЗ?

Пиролиз (от др.-греч.— огонь, жар и разложение, распад) — термическое разложение органических и многих неорганических соединений. В узком смысле, разложение органических природных соединений при недостатке кислорода. В более широком смысле — разложение любых соединений на составляющие менее тяжёлые молекулы или элементы под действием повышения температуры^[1].

Пиролиз также можно назвать сухой перегонкой, а в качестве сырья могут быть различные газообразные углеводороды (этан, пропан), сырая нефть, соединения, содержащие органические компоненты, такие как древесины, уголь, торф и т. д.^[2]

Пиролиз древесины — первая стадия горения древесины. Всем знакомые языки пламени на горящих дровах, сучьях в костре, образуются за счёт горения не углерода самой древесины, а газов — летучих продуктов пиролиза. При пиролизе древесины (450—500 °C) образуется очень много различных веществ, наибольшие концентрации в газообразных продуктах пиролиза имеют: метиловый спирт, (поэтому метанол носит устаревшее название «древесный спирт»), уксусная кислота, ацетон, бензол, фуран и др. Нелетучие продукты неполного пиролиза — жидкие и пастообразные смолы. Конечным продуктом полного пиролиза древесины является почти чистый углерод — древесный уголь. Для осуществления процесса пиролиза в настоящее время обычно применяют древесину лиственных пород, реже – древесину хвойных пород.

Пиролиз твердого топлива имеет ту же сущность, что и жидкообразного. При расщеплении молекул твердого топлива образуется обогащенная углеродом твердая фаза (кокс, уголь) и газовая, содержащая пары углеводородов (пиролизный газ).

Пиролизный газ получается в процессе термохимических превращений твердого топлива как в условиях без доступа воздуха при нагревании до 500-1000 ° С, так и в процессе горения при недостатке воздуха^[3].

1.2 ПИРОЛИЗНЫЕ КОТЛЫ

При работе пиролизного котла используется принцип, при котором подготовка топлива производится с недостатком кислорода. Для многих специалистов печного дела данное заявление является абсурдным. Ведь, как известно, для нормальной работы обычного котла или печи, помимо самого топлива, необходим приток свежего воздуха, обогащенного кислородом. Эти два слагаемых, топливо и воздух, и обеспечивают правильную работу любой печи.

В основу же работы пиролизного котла как раз и положен принцип пиролизного сгорания топлива, смысл которого заключается в том, что под действием высокой температуры и в условиях отсутствия воздуха топливо распадается на летучую часть - пиролизный газ и твердый остаток (золу). Т.е. именно под воздействием высокой температуры и при отсутствии воздуха из топлива выделяется газ. В обычных печах он удаляется через дымоход. Чем больше нагревается топливо с ограниченной подачей кислорода, тем больше газа вырабатывается.

После сжигания в топке котла твердого топлива, которое протекает в виде его тления, выделившийся пиролизный газ поступает в камеру для дожига газа, после чего он сгорает очень чистым пламенем. Энергия сгорания пиролизного газа из камеры дожига отбирается через теплообменник и используется для нагрева теплоносителя, участвующего в процессе горения. Таким образом, пиролизные котлы на твердом топливе имеют больший КПД и позволяют регулировать мощность.

Т.к. сжигается полученный из топлива газ, поэтому второе название таких котлов – газогенераторы.

ВЫВОД: Пиролизный газ – новая страница обычных дров^[4].

1.3 ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ПИРОЛИЗНЫХ КОТЛОВ

В чем преимущество^[5] печей данного типа:

Это в первую очередь: Высокий КПД, 80% и более.
Возможность регулирования КПД.
Регулируемый (подачей первичного воздуха) процесс горения позволяет работать с одной закладки достаточно длительное время, до 12 часов (у обычных дровяных котлов порядка 3—4 часов, однако у котлов верхнего горения этот показатель больше — от 30 часов на дровах до 6—7 дней на угле). Можно обеспечить автоматическое регулирование параметров.
Полное сгорание топлива. Как следствие, гарантирована экономичность горения, реже надо чистить зольник и газоходы.
Процесс горения пиролизных газов легко поддается управлению и регулировке, что позволяет автоматизировать работу такого котла.
Возможность сжигания крупных (даже неколотых) дров.
Более экономный расход топлива.
Снижение выбросов вредных веществ в атмосферу.
Минимальная выработка сажи.
Помимо этого, для работы пиролизных котлов можно использовать и другие виды топлива. К примеру, бытовой мусор, отходы резины, полимеров, древесной промышленности.

Недостатки^[6]:

Основным недостатком таких печей можно назвать высокую стоимость.
При использовании топлива с высокой степенью влажности пиролиз невозможен.
Необходимость в постоянной подаче электроэнергии для работы вентилятора.

Неоспоримое преимущество заключается в следующем:

Из-за полного сгорания дров и пиролизного газа удается добиться значительной экономии топлива в пиролизном котле естественной тяги по сравнению с обычными котлами, использующими также естественную тягу. На данных котлах возможна установка автоматической системы регулирования подачи воздуха, которая происходит без вмешательства человека. Достаточно просто выставить требуемый температурный режим, все остальное котел сделает сам. Подобный тип пиролизных котлов является отличным вариантом для организации отопления в различных помещениях. Ведь естественная тяга позволяет функционировать котлу даже без подключения электричества. Данные котлы просты в обслуживании и, самое главное, позволяют значительно сэкономить на топливе без потери эффективности.

1.4 КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИРОЛИЗНОГО КОТЛА

Котел^[7], представленный на рисунке 1 в Приложении 1, состоит из следующих элементов:

Камера газификации
Камера дожигания
Система подачи воздуха (первичная, вторичная)
Водяная рубашка
Колосниковая решетка

Принцип работы заключен в следующем:

В камеру газификации загружается топливо и поджигается.
При достижении определенной температуры из топлива начинает вырабатываться газ.
В камеру подается первичный воздух, и из-за избытка давления газ начинает поступать в нижнюю камеру дожигания.
В камеру дожигания подается вторичный воздух, и образовавшаяся смесь горит при большой температуре.
Теплоноситель - вода, находящаяся в водяной рубашке котла, нагревается и подается в систему отопления, одновременно во входную часть рубашки подается обратка. Используемый теплоноситель служит одновременно охладителем котла.

2. Практическая часть

2.1 ПОЛУЧЕНИЕ ПИРОЛИЗНОГО ГАЗА

Для получения пиролизного газа, а также для тестирования экономичности газогенераторных котлов, было решено собрать опытный образец пиролизной печи ^[8].

Для этого понадобились:

листы металла, в том числе огнеупорного;
трубы для теплообменника;
шамотный кирпич;
контроллер;
вентилятор;
асбестовый шнур для дверей.

По чертежам, спроектированным отцом, с помощью плазменного станка ЧПУ из листов металла были вырезаны детали печи. Между собой детали были сварены сварочным аппаратом. Внутри камеры выложены шамотным кирпичом. Затем произведено заполнение теплоносителем (водой) водяной рубашки по всему контуру печи. Готовый котел представлен на рисунке 2 в Приложении 1.

Схема собранной печи (котла нижнего горения) представлена на рисунке 3 в Приложении 1, где 1 – выходное дымовое отверстие, 2 – контроллер, 3 – загрузочная камера, 4 – камера розжига, 5 – камера горения, 6 – отверстие для слива конденсата, 7 –вентилятор.

Образец печи в разрезе представлен на рисунке 4 в Приложении 1.

Твердое топливо (дрова, уголь, бытовые отходы и т.д.) укладывается в загрузочную камеру (рисунок 5 в Приложении 1). Особенности розжига представлены в Приложении 2. В процессе горения топлива при недостатке кислорода , и при достижении в загрузочной камере температуры выше 450 ° С начинается обильное выделение горючего пиролизного газа, который через форсунки поступает в камеру горения. В камере горения пиролизный газ смешивается до определенной концентрации с воздухом, который нагнетается с помощью вентилятора (рисунок 6 в Приложении 1), и воспламеняется (рисунок 7 в Приложении 1). Тепло, поднимаясь в теплообменник, отделяется от дыма, и, циркулируя в нём, нагревает теплоноситель. Горячие газы смешиваются с кислородом, поступающим из воздушного короба, окисляются, выделяя дополнительное тепло, и устремляются в выходной коллектор, проходят через регулятор тяги (пиролиза), и охлаждённые вылетают в дымовое отверстие и дымовую трубу (рисунок 8 в Приложении 1). Весь процесс работы котла регулируется с помощью контроллера (рисунок 9 в Приложении 1).

В результате такого процесса упорядоченного сгорания топлива, достигается максимальная высокая эффективность котла до 92 %. Топливо отдает практически все, что может сгореть и выделять тепло. В дымоход выходит только отработанный газ, который не способен выдавать больше никакой энергии.

С помощью собранной экспериментальной печи мощностью 50 кВт/ч происходит обогрев двухэтажного помещения площадью 240 кв.м.

Длительность поддержания постоянной температуры теплоносителя (40 С) при однократной загрузке топлива представлена в таблице 1.

Наименование топлива	Длительность работы печи
Сосновые дрова	12ч.-16ч.
Березовые дрова	20ч.-1,5сут.
Дубовые дрова	1сут.-2сут.
Каменный уголь	До 7 суток.
Бытовые отходы	До 12ч.

Сравнение расходов собранного котла мощностью 50 кВт/ч и электрического котла аналогичной мощности представлено в таблице 2.

Наименование котла	Наименование расходов	Стоимость расходов в месяц, рублей
Пиролизный котел	топливо	3500 – 5000
Электрический котел	электроэнергия	До 40000

Как видно из таблицы экономия от использования собранного котла составила порядка 35 тысяч рублей.

ВЫВОД: с помощью твердого топлива в условиях недостатка кислорода и высокой температуры можно получить пиролизный газ, и в дальнейшем использовать его для нагрева теплоносителя, т.е. для отопления помещения значительной площади. В процессе горения происходит полное сгорание топлива при минимальных выбросах вредных веществ в окружающую среду. Однократной загрузки топлива хватает на длительное время, что подтверждает экономичность данной печи.

3. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Пиролиз древесины^[9] – один из первых химических процессов, взятых на вооружение людьми. Начиная с XII века, его широко использовали в России для выработки сосновой смолы (служит для просмолки деревянных судов и пропитки канатов), этот процесс назывался смолокурение. Считается, что в Швеции в XVI веке впервые началось применение технологии пиролиза в промышленных масштабах. Шведы использовали технологию пропитки корабельной древесины дубильными сосновыми смолами, получаемыми в результате простейшего пиролиза. В медный чан закладывались поленья хвойных пород древесины, чан герметично закрывался, чем достигалось отсутствие доступа воздуха внутрь. Чан на открытом пламени разогревали до температуры 400-500° С, и при этом на дне скапливались маслянистые смолы, которые сливались через отверстие в дне. С развитием металлургии возник другой промысел, основанный на технологии пиролиза древесины, – углежжение. При сжигании древесины без доступа воздуха получался древесный уголь.

Российские химики Юлия Всеволодовна Лермонтова и Александр Александрович Летний впервые в истории химической науки обратили внимание на то, что каменный уголь дает светильный газ (смесь водорода, метана, окиси углерода и других горючих газов, получаемая при пиролизе каменного угля или нефти), худший по качеству, чем газ нефтяного происхождения. А уже в 1877 году эффект пиролиза углеводородов был запатентован Александром Александровичем Летним (рисунок 8 в Приложении 1) ^[10].

Россия — одна из самых богатых лесом стран. Поэтому в России сформировались и работали лучшие в мире школы по пиролизу древесины. Их вклад получил мировое признание. В XX веке существенный вклад в разработку новых направлений пиролиза древесины внес профессор Тищенко Д. В. с учениками. В области технологии работали проф. Ливеровский А.А., проф. Померанцев В.В., доц. Карякин В.И. Их вклад превратил кустарную отрасль в современную промышленную. Российская лесохимическая промышленность превосходила любые зарубежные аналоги по уровню и масштабам. В России был издан ряд монографий по химии древесины, среди которых выделяется «Химия древесины» чл.-корр. АН Никитина Н.И. Она многократно переиздавалась и переведена на многие языки мира^[11].

В нашей стране на протяжении долгого времени (когда ещё не начали использовать природный газ) пиролиз твердого топлива был весьма важным направлением в энергетике. На многих предприятиях было установлено мощное газогенераторное оборудование, а автомобили оснащались двигателями, работающими на генерируемом в процессе пиролиза газе. В 30-е годы XX века индустриализация в СССР проходила очень стремительно. Для обеспечения таких темпов требовался огромный парк автомобильной техники, для работы которого в свою очередь требовалось громадное количество углеводородного топлива – бензина и солярки, а нефтепродуктов постоянно не хватало.

4. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

По всему миру пиролизный газ начинают использовать как альтернативный экономичный источник энергии, прежде всего тепловой. Во многих европейских странах пиролизный газ давно стал обычным топливом, на котором десятками лет вырабатывается электроэнергия, пар и горячая вода (рисунок 9, рисунок 10 в Приложении 1).

Пиролизные котлы в качестве топлива могут использовать широкий спектр твердых углеродсодержащих материалов, подлежащих утилизации, которые в тоже время являются потенциальными альтернативными топливами, в замен традиционных топлив нефтяного происхождения, ископаемого угля и природного газа. Т.е. пиролизные котлы позволяют улучшать экологическое состояние окружающей среды, т.к. к числу такого бросового сырья – топлива можно отнести^[12]:

Бытовые отходы: бумагу; картон; текстиль; различные пластики; торф и прессованную из торфа тару.
Отходы резинотехнических изделий, включая автомобильные отработанные покрышки.
Всевозможную нетоварную древесину, включая отходы с различными пропитками (шпалы, телеграфные столбы, фанера, древесностружечные и древесноволокнистые материалы).
Отходы растениеводства: лузгу подсолнечника; жмых; солому; костру; листву; кукурузные початки; корзиночки подсолнечника; стебли сорняков; плодовые косточки; скорлупу орехов.
Отходы животноводства: помет животных; иловые осадки и т.д.
Возможно использование жидких горючих отходов (отработанные масла, отходы лакокрасочных производств и т.д.) в качестве пропитки для вышеперечисленных твердых топлив.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного эксперимента нами был получен пиролизный газ из твердого топлива.

Теперь мы знаем, что горение возможно даже при недостатке кислорода. Моя гипотеза подтвердилась! Любое органическое или неорганическое вещество в определенных условиях может стать источником пиролизного газа, который используется в пиролизных (газогенераторных) печах для отопления помещения.

Пиролизный газ если не полностью, то хотя бы частично может обеспечить потребности сельских жителей, владельцев дачных и садовых участков в качестве экономичного способа обогрева помещений. Кроме того, при пиролизе топливо практически полностью идет в дело, в результате чего улучшается экологическая обстановка, ведь в окружающую среду попадает минимальное количество газов и продуктов горения.

К сожалению в настоящее время в России пиролиз – как вид альтернативного и экономичного источника энергии еще не получил широкого распространения, но хочется надеяться, что его начнут активно применять.

Так, например, мой отец уже обогревает свое цеховое помещение (площадью 240 кв.м) с помощью собранного пиролизного котла, а в дальнейшем собирается оптимизировать конструкцию и установить подобную печь в помещении на дачном участке.