В условиях истощения запасов легкодоступных ископаемых ресурсов развитие новых направлений энергетики становится стратегической государственной задачей. Одним из перспективных направлений исследований является получение топлива из горючих фракций твёрдых коммунальных, промышленных или коммерческих отходов (RDF, Refuse-Derived Fuel), производимое после механической сортировки, удаления инертных фракций и измельчения, и побочных продуктов существующих производств.

Специалисты АО «ЦИФРА» приняли участие в инициативной эскизной проработке вихревого реактора пиролиза, предназначенного для получения высококалорийного топливного газа из отходов деревообрабатывающих предприятий – опилок. Применение цифрового CFD-моделирования позволило изучить несколько различных модификаций базовой конструкции реактора и выбрать оптимальные параметры ещё на этапе эскизного проектирования.

Вихревой реактор пиролиза

Принцип вихревого пиролиза и эскиз рассмотренной конструкции реактора описан в патенте RU 2632690 C1 [1]. В описанной установке опилки (или иное измельчённое сырьё) движутся в вихревом потоке газа и подвергаются быстрому нагреву (скорость нагрева порядка 1000 К/с), за счёт чего полимерные молекулы древесины лавинообразно разлагаются и переходят в газовую фазу. Это позволяет получить высококалорийное газовое топливо с теплотой сгорания до 56 МДж/м³, что сопоставимо с теплотой сгорания природного газа.

Сырьё для работы реактора – опилки (изображение сгенерировано нейросетью)

Вихревое движение с потоком газа обеспечивает высокую скорость нагрева частиц сырья, необходимую для протекания реакций пиролиза, при общей простоте конструкции. В реакторах других типов, например, в абляционном или шнековом [2], требуемые условия достигаются за счёт движения слоя измельчённых отходов между близко расположенными металлическими пластинами, что гораздо сложнее организовать технически.

Конструкция реактора состоит из двух горизонтально расположенных цилиндрических камер. Процесс пиролиза протекает во внутренней камере. Внешняя камера служит тепловой «рубашкой», обеспечивая теплоизоляцию и поддержание требуемой температуры процесса.

Схема вихревого реактора пиролиза

Базовая конструкция реактора

На основе патента создан эскиз конструкции реактора, представленный на рисунке ниже.

Конструкция вихревого реактора пиролиза

Для проверки степени равномерности нагрева и наличия вихревого движения частиц внутри реактора проведено CFD-моделирование.

Проведённые расчёты показали, что взаимное расположение входов и выходов внутренней камеры не обеспечивает вихревого движения сырья, необходимого для его равномерного нагрева.

Движение опилок внутри реактора (базовая конструкция)

Вместо вихревого движения вокруг продольной оси реактора, частицы сырья образуют зону циркуляции вблизи входа, а затем устремляются к выходам из реактора по почти прямолинейным траекториям. Малое время пребывания частиц в реакторе и хаотичное движение не позволяют опилкам достигнуть температуры от 500 до 600°С, необходимой для получения газа с наибольшей теплотой сгорания [3].

Поле температур внутри реактора (базовая конструкция)

Вихревой реактор с тангенциальным входом

По результатам исследований первого прототипа создана второй, где подача опилок и выход продуктов пиролиза располагались тангенциально по отношению к оси цилиндра реактора.

Конструкция реактора с тангенциальным расположением входов и выходов

Внесённые конструктивные изменения позволили добиться вихревой структуры движения сырья внутри реактора, как показано на рисунке ниже.

Движение опилок внутри реактора (конструкция с тангенциальным входом)

Движение опилок в рассматриваемой конструкции реактора не является полностью организованным: в области входа в камеру пиролиза присутствует циркуляционная зона, вблизи патрубков выхода частицы отклоняются от вихревой траектории. Перечисленные явления препятствуют теплообмену.

Поле температур внутри реактора (конструкция с тангенциальным входом)

Вихревой реактор циклонного типа

На следующем шаге эскизной проработки предложена конструкция реактора циклонного типа. Он отличается от ранее рассмотренных реакторов конусообразной формой, характерной «улиткой» на входе и наличием только одного выходного патрубка, расположенного рядом со входным.

Вихревой реактор пиролиза циклонного типа

Внутри вихревого реактора циклонного типа образуется устойчивая, регулярная вихревая структура, позволяющая частицам сырья двигаться вдоль стенок камеры (где интенсивнее всего происходит реакция), а пиролизному газу – покидать реактор, проходя через его центральную область.

Движение опилок внутри реактора (реактор циклонного типа)

Организованное вихревое движение обеспечивает наиболее благоприятные условия для теплообмена, в результате чего достигается требуемая для пиролиза температура опилок.

Поле температур внутри реактора (реактор циклонного типа)

Предложенное изменение конструкции реактора позволило при одинаковых затратах горячего газа на обогрев внешней камеры значительно повысить степень и скорость нагрева сырья, что необходимо для полного протекания каскада реакций пиролиза [4].

Выводы

Применение цифровых моделей выводит проектирование на качественно новый уровень. Численное моделирование значительно сокращает длительный итеративный процесс опытно-конструкторских работ, позволяя ещё на стадии эскиза «предсказать» как будет работать конструкция, и внести необходимые изменения. Это особенно важно для развивающихся технологий, сроки выхода на рынок для которых являются критичным конкурентным преимуществом.

В рассмотренном примере показано, как применение цифрового моделирования помогает на этапе эскизной проработки реактора пиролиза, обеспечивая достижение требуемых технологических параметров. В дальнейшем данная технология может быть распространена на другие виды топлив, получаемых из отходов – торф, побочные продукты сельского хозяйства, различные фракции ТКО.

Список использованных источников

x

x

Изображение заголовка сгенерировано нейросетью