Температура горения пиролизного газа

Продукты горения древесины

В процессе горения древесины образуется дым — смесь газообразных продуктов сгорания с твердыми частицами.

Состав продуктов горения зависит от состава древесины и условий ее горения. Древесина состоит, главным образом, из соединений углерода, водорода, кислорода и азота. Следовательно, обычными продуктами горения древесины являются: углекислый газ, азот, пары воды, окись углерода, сернистый газ. При сгорании 1 кг древесины выделяется 7,5—8,0 м3 газообразных продуктов сгорания. Продукты горения, за исключением окиси углерода, в дальнейшем гореть больше не способны. При горении древесины твердыми частицами в дыме является сажа (углерод). На состав продуктов сгорания влияют условия, при которых происходит процесс горения. Горение может быть неполное и полное.

При недостаточном доступе воздуха получаются продукты неполного сгорания, образующие едкий дым, который часто выделяется вовремя пожара. Продукты неполного сгорания могут быть чрезвычайно разнообразными и зависят, прежде всего, от состава и свойства горящей древесины, а также от условий ее сгорания. При недостаточном доступе воздуха образуются продукты сухой перегонки, которые не успевают сгореть. Эти продукты чрезвычайно разнообразны и относятся к различным классам органических соединений. В состав их, кроме продуктов полного горения, входят: окись углерода, спирты, кетоны, альдегиды, кислоты и другие сложные органические соединения. При пожаре пары этих соединений могут присутствовать в дыме, увеличивая его ядовитые свойства. Продукты неполного горения способны гореть и образовывать с воздухом взрывчатые смеси. Взрывы таких смесей происходили при тушении пожаров в сушилках, подвалах и закрытых помещениях с большим количеством горючего материала. Неполное горение наблюдается при пожарах в сушильных камерах, где сосредоточено большое количество древесины. В результате сгорания древесины выделяются окись углерода и другие углеводороды, раздражающе действующие на слизистые оболочки глаз, носа и затрудняющие действия пожарных подразделений по тушению пожара.

Вдыхание дыма, содержащего 0,4% окиси углерода, смертельно. Противогазы БН от окиси углерода не защищают. На пожарах применяются специальные кислородные изолирующие приборы (КИП-5, КИП-7 и др.).

Итак, неполным называется горение, в результате которого получаются продукты, еще способные гореть (окись углерода, сажа и различные углеводороды).

Полным называется такое горение, в результате которого получаются продукты, не способные больше гореть (углекислый газ, пары воды, сернистый газ).

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Пиролиз

Пиролиз жидких и газообразных углеводородов

Пиролиз газовых углеводородов (природный и попутный газы) и нефтепродуктов (бензиновая и газойлевая фракции) являются основным источником низших олефинов (этилена, пропилена), бутилена, дивинила, бензола и других продуктов. Установки данного типа обеспечивают 100% мирового производства этилена и 67% пропилена. Остальные 33% производственной доли пропилена приходятся на такие процессы как каталитический крекинг, замедленный висбрекинг и коксование. Процесс термического разложения является пока основным источником для получения дивинила при его выделении из сопутствующей бутановой фракции, и бензола (продуктов пиролиза жидкой фракции). Почти 80 % мирового выхода дивинила и 39 % бензола являются следствием пиролиза углеводородов.

Пиролиз углеводородов в промышленных условиях реализуется при температурах 800 – 900 °С и близких к атмосферному давлениях (0,3 МПа на входе и 0,1 МПа на выходе из устройства). Обработка сырья происходит в течение максимального времени пребывания 0,5 секунд.

Все происходящие при пиролизе реакции можно условно классифицировать на:

  • первичные
  • вторичные.

При протекании первичных реакции происходит расщепление парафиновых соединений и нафтеновых углеводородов, в результате чего образуются углеводороды с уменьшенной молекулярной массой. Реакции же вторичного плана протекают, в основном, на поздних этапах процесса пиролиза с уменьшением объёма общей массы продукта. В ходе прохождения вторичных реакций образуются ароматические и ароматические полиядерные углеводороды. Они образуются при реакции конденсации / поликонденсации термостабильных ароматических углеводородов и в ходе реакций протекающих по механизму Дильса-Альдера, которые являются гибким и весьма удобным методом для синтеза соединений с шестичленным циклом и играют промежуточную роль в синтезе ароматических углеводородов. Также в ходе прохождения вторичных реакций образуются твёрдые углеродистые соединения, которые в промышленности называются коксом. Следует всё же отметить, что классификация на первичные и вторичные реакции считается условной. Чтобы снизить скорость прохождения вторичных реакций, сырье пиролиза разбавляют водяным паром.

Положительной стороной использование водяного пара для разбавления исходного сырья является снижение парциального давления разрушаемых углеводородов и экономических затрат. Кроме этого, водяной пар снижает коксообразование в процессе реакции, а также удельное количество тепла, необходимого для нагрева реакторных труб. При этом часть тепловой энергии вводится непосредственно в исходное сырье вместе с паром. К минусам применения водяного пара относят увеличение металлоемкости установки ввиду усложнения конструкции печи и системы разделения продуктов, а также значительные энергозатраты связанные с необходимостью нагрева до высоких температур.

Для выработки этилена при пиролизе углеводородного сырья выбирают различные способы выполнения процесса:

  1. Реализация пиролиза в трубчатых печах, которые представляют собой змеевиковый реактор, передающий тепло через поверхность нагрева.
    Раньше процесс проходил в коробчатых печах малой производительности, трубы которых прогревались неравномерно, что приводило к их быстрому закоксовыванию. Впоследствии эти печи были заменены градиентными печами, оснащенными экранами двустороннего облучения и горелками беспламенного нагрева, и печами с вертикальным размещением труб. Градиентные печи имеют производительность 10-14 т в час, а печи с вертикальными трубами достигают производительности 19-20 тонн в час, благодаря высокой тепловой напряжённости в трубах. Разбавление сырья водяным паром способствует также достижению высоких характеристик теплоотдачи и минимальному закоксовыванию труб. В целях повышения печной производительности применяют 2-х, 4-х-поточные змеевики и змеевики многопоточного типа. В современных печах трубчатого типа пиролиз реализуется при более жестких условиях: температура на выходе из печи выше, а время контакта меньше. Выход этилена благодаря жестким условиям повышается, количество кокса не увеличивается. Однако температурный режим на выходе из печи ограничен температурой стенок трубы. Для поддержания характеристик высокой температуры стенки должны быть из жаропрочной легированной стали с долей никеля и хрома соответственно 20-25% и 25-30%. Данный метод считается самым распространённым на сегодняшний день и выделяется среди других своей высокой производительностью (до 20 000 т этилена ежегодно). К недостаткам описанного метода можно отнести конструктивные решения печей, требующие использования легированных сортов стали, высокая металлоёмкость печей и необходимость выжигания коксовых отложений.
  2. Метод термоконтактного пиролиза, при котором применяют твердый гранулированный теплоноситель или теплоноситель мелкозернистой (порошкообразной) фракции, при контакте сырья с которым тепло напрямую подводится в область реакции. Выделившийся в процессе термического разложения кокс отлагается на теплоносителе и выносится из зоны реакции вместе с ним. За счет этого процесс пиролиза тяжёлого сырья значительно облегчается. Теплоноситель состоит, как правило, из огнеупорного материала (корунд, кварцевый песок, шамот), а также из кокса, выделенного в процессе пиролиза.
    Достоинствами данного метода являются лёгкость подвода тепла, способность переработки самого тяжёлого сырья (сырая нефть, мазут), высокая производительность агрегата. Минусами этого метода считаются значительные капитальные затраты и трудность правильного технологического ведения процесса, которая связана с минимальным временем пребывания сырья в реакционной зоне.
  3. Гомогенный тип пиролиза, при котором теплоносителем могут служить водяной пар или продукты, образуемые в процессе сгорания топлива. Теплоноситель нагревается до очень высокой температуры. При использовании этого метода выход этилена высокий, что является одним из достоинств метода, а недостаток его заключается в большом расходе водяного пара. От последнего негативного фактора можно избавиться, повысив температуру перегрева пара, однако метод получения перегретого высокотемпературного пара пока не отработан.
  4. При окислительном методе пиролиза углеводороды нагреваются до 600 °С, а смесь пара с кислородом нагревается отдельно до 400 °С, затем в смесителе компоненты смешиваются и подаются в реактор, откуда продукты пиролиза поступают в зону охлаждения. Широкого применения для выработки этилена он не получил, так как его основной недостаток это высокий расход сырья на реакцию окисления, что понижает экономичность процесса в целом. При использовании окислительного метода доля полученных олефинов значительно ниже, чем при использовании других методов пиролиза.

В ходе проведения различных методов пиролиза углеводородов, особенно реализуемых в условиях высоких температур, образуются ацетиленовые углеводороды и пропадиен, являющиеся примесями окиси и двуокиси углерода. При последующей переработке газов пиролиза их необходимо удалять. Выпуск этилена в ходе пиролиза углеводородов включает этапы пиролиза последних, компримирование пиролизного газа, удаление тяжелых фракций углеводородов, осушку газа и его разделение, извлечение ацетилена, сероводорода, двуокиси углерода, а также увеличение концентрации этилена в случае его использования для изготовления полиэтилена. Проводить очистку от серы и её соединений можно и до начала пиролиза, однако чаще это делается после. Очистка от сероводорода, ацетилена и тяжелых углеводородов доступна на разных этапах пиролизного процесса. Удаление влаги необходимо осуществить до этапа разделения газа, ибо при понижении температуры происходит образование кристаллогидратов, которые забивают оборудование газофракционирующего агрегата. Наиболее тяжелые фракции, как, например, С4, желательно удалять до начала осушки пиролизного газа. В результате фракционного разделения пиролизного газа на выходе получают 97-98%-ый этилен, пригодный для выпуска этанола и окиси этилена, например. Но для производства полиэтилена нужен этилен более высокой степени чистоты.

Пиролиз твердых углеводородов

Термодеструктивные процессы переработки твердых горючих ископаемых зачастую разделяют на два отдельных процесса полукоксования и коксования, которые протекают в разных температурных режимах и с разным типом продуктов на выходе.

При температуре 500–600°С протекает низкотемпературный пиролиз также называемый полукоксованием. Главным направление процесса полукоксования является дальнейшее использование получаемых продуктов в качестве источников энергии. Исходным сырьем для процесса полукоксования являются уголь (бурый, каменный), торф и сланец. После их переработки выделяются такие продукты как пиролитический газ, первичная смола, подсмольная вода (смесь воды с тяжелыми остатками) и твердый остаток (полукокс). Получаемые газы содержат много метана, который обладает высокой теплотой сгорания, что подходит для их дальнейшего использования в виде бытового топлива. После дальнейшей обработки и очистки из первичных смол получают моторные топлива и масла. Полукокс используют в виде сырья для процесса газификации, ввиду высокого содержания в нем летучих соединений.

При более высоких температурах 900 – 1100°С проходит процесс коксования, его главным назначением служит получение твердого остатка – кокса, который используется в цветной и черной металлургии. При высокотемпературной переработке угля выход кокса составляет около 80%, остальное газовая смесь – вторичный продукт разложения твердых углеводородов. После охлаждения и разделения газовой смеси выделяют такие ценные продукты, как смола, содержащая ароматические углеводороды, надсмольная аммиачная вода и газ, обладающий высокой теплотворной способностью. Основным сырьем для процесса коксования является каменный уголь. Коксование проводится в коксовых батареях при внешнем подводе тепла.

Технология и процессы термической переработки твердых углеводородов практически не поменялись, изменениям подверглось только оборудование, используемое для пиролиза. Благодаря усовершенствованию оборудования и эволюции технических решений стали намного эффективнее процессы пиролиза достигли высоких энергетических и экологических показателей.

Пиролиз метана

Представляет собой реализуемый в условиях высокой температуры (1200-1500 °С) процесс, после которого требуется быстрое охлаждение продуктов, участвующих в разложении. Ацетилен, получаемый в ходе пиролиза метана, не всегда является конечным продуктом. Он может быть и промежуточным звеном, используемым для дальнейшего производства продукции органического синтеза. Получать только ацетилен из метана экономически невыгодно, это делается в основном на перерабатывающих ацетилен заводах, которые ориентированы на производство синтетического каучука. Степень эффективности пиролиза метана определяет высокотемпературная стойкость как получаемых углеводородов, так и исходных углеводородных веществ.

Делать вывод относительно термической стойкости углеводородов стоит по изменению свободной энергии, имеющей место при их образовании, которая зависит от температуры. С уменьшением свободной энергии при определённой температуре повышается стабильность углеводорода. При соответствующих условиях углеводороды способны превратиться в ацетилен. Так как при температуре 1200°С характерная для образования ацетилена свободная энергия меньше свободной энергии образования метана, значит, можно получить ацетилен непосредственно из метана.

Однако, при температуре 1500°С ацетилен является неустойчивым веществом в термодинамическом понятии, а значит, он способен за короткое время разложиться на следующие вещества: сажу (углерод) и водород. Во избежание разложения ацетилена, полученного в ходе пиролиза метана, необходимо следить за временем пребывания пиролизного газа в реакционной зоне, которое должно быть не более сотой доли секунды. В целях сохранения ацетилена продукты, полученные в ходе пиролиза метана, быстро охлаждают до температуры 200°С (это достигается за счет впрыска воды в газовый поток), или ниже, и ацетилен прекращает дальнейшее превращение. Процесс резкого охлаждения ацетилена называют закалкой.

На сегодняшний момент нет кинетической схемы, которая бы подробно представила процесс пиролиза метана. Метод и реакции в ходе пиролиза метана могут быть представлены в виде химических уравнений. Ацетилен, например, добывают из метана при его термическом распаде по следующей реакции:

2СН4 ↔ С2Н2 +ЗН2 — 91,1ккал / г-моль

Тепло, необходимое для прохождения реакции пиролиза, подводится с помощью нагревания исходных газов, образование тепла происходит при сжигании метана в небольшом количестве. Так как процесс пиролиза метана реализуется в факеле, то вместе с выделением ацетилена осуществляются и другие побочные реакции, например, реакции, в ходе которых образуются высшие ацетиленовые углеводороды (метилацетилен, диацетилен, винилацетилен).

Пиролиз древесины

Термический процесс разложения древесного сырья на твердые, жидкие и газообразные продукты, протекающий при воздействии высоких температур до 450 °C и отсутствии воздуха.

Данный процесс осуществляют преимущественно с применением лиственных породы древесины (березу), реже используется хвойные породы. Между размером кусков древесины, отобранных для пиролиза, и размером полученного твердого остатка существует прямая зависимость: чем больше исходные куски древесины – тем больше куски твердого остатка. После переработки образовавшиеся куски древесного угля проходят классификацию по размеру и отправляются потребителю или на переработку.

Пиролиз древесины протекает с выделение большого количества тепловой энергии (1150 кДж/кг). Для улучшения экономических показателей и сокращения затрат на проведение процесса применяют химические вещества способные снижать энергию активации реакций пиролиза древесины, понижают температуру начала их распада и, таким образом, могут регулировать образование какого-либо вида продукта. Например, древесина березы, пропитанная одновременно 2%-ной серной кислотой и 0,1%-ной перекисью водорода, способствует снижению температуры начала распада с 250°С до 120°C. При этом идёт увеличение скорости термодеструкции в 10 раз, энергия активации уменьшается примерно в 4 раза, а выход древесного угля увеличивается на 35%. Добавки в виде минеральных кислот при 220°C (предварительный пиролиз) способствуют образованию фурфурола, а йодноватой и хлоруксусной кислоты при 320°C ускоряют образование левоглюкозана. Увеличения выхода древесной смолы можно достичь при добавлении щелочей и аммиака, а увеличить выход древесного угля можно, пропитав древесину антипиренами. Процесс пиролиза древесины включает разделку на куски, осушку разделанных кусков, собственно пиролиз в печах, процесс охлаждения угля, а также его стабилизацию, конденсацию паров, содержащихся в летучих продуктах. Сушка древесины влажностью 45% до достижения влажности 15% считается самой энергоемкой и продолжительной стадией. Технология пиролиза древесины многообразна, но применяемые печи давно устарели и не соответствуют новым требованиям. Наиболее совершенна непрерывная технология пиролиза древесины с верхней загрузкой древесины и выводом угля снизу. В ходе проведения пиролиза древесины образуются такие вещества, как древесный уголь, кислота уксусная, метиловый спирт, смолы, ацетон.

Пиролиз твердых бытовых отходов

Пиролиз бытовых отходов в твердом виде принято рассматривать, как процесс термического распада отходов, при котором получают твердый углеродистый остаток и пиролизный газ. Пиролиз твердых отходов считается наиболее перспективным направлением утилизации, так как количество попадающих в атмосферу выбросов вредных веществ значительно меньше по сравнению с традиционными операциями по сжиганию. Пиролиз твёрдых отходов бытового назначения включает в себя несколько стадий: осушку, перегонку сухим методом, горение остатков и газификацию. Количество и вид продуктов пиролиза связаны напрямую с исходным составом твердых отходов, а также с текущими условиями реализации процесса пиролиза. Как и в любой пиролизной установке, главным элементом здесь является реактор, в верхнюю часть которого поступают бытовые твердые отходы, где и осуществляется их подсушивание. Затем сырье под собственным весом попадает в среднюю часть реактора, в которой непосредственно и осуществляется сам процесс пиролиза. В ходе пиролиза, в среде без кислорода осуществляется коксование мусора и его термический распад. Дымовые газы, образующиеся в ходе пиролиза, попадают в котел-утилизатор, затем в абсорбер, где они очищаются и выбрасываются в атмосферу. Образующийся шлам, состоящий из смеси золы и солей, который собирают в контейнеры для отправки потребителю или отправляют на хранение в специальные отвалы. Продукты пиролиза твёрдых отходов абсолютно безопасны в экологическом плане, их можно будет использовать в качестве топлива или ценного промышленного сырья или сырья для народного хозяйства. Полученные в ходе пиролиза бытовых твёрдых отходов продукты могут служить источниками электрической, тепловой энергии, печного топлива (аналог мазута), жидкого топлива (бензин, дизельное топливо). Но на практике весьма сложно получить полезные вещества в большом количестве, ибо возникает необходимость в строгой сортировке отходов. Из несортированного мусора получить необходимое количество жидкого топлива не представляется возможным.

Аппаратурное оформление

Ввиду того, что процесс пиролиза основан на реакциях разложения углеводородного сырья, которые требуют подведения большого количества тепловой энергии, задача аппаратурного оформления состоит в следующем:

1) необходимость обеспечения очень быстрого подвода тепловой энергии и создание высокой температуры в реакционной зоне, ввиду короткого времени реакции;

2) быстрый вывод образовавшихся целевых продуктов из реакционной зоны и их охлаждение для предотвращения вторичных превращений.

Для решения этих задач предлагались аппараты с применением разнообразных конструкционных решений:

  • аппарат периодического действия с неподвижной насадкой (регенеративные печи);
  • аппарат с движущимся теплоносителем;
  • аппарат содержащий расплавы металлов;

На сегодняшний день в промышленности используется несколько вариантов. Их применение обусловлено составом поступающего на переработку исходного сырья. Любая пиролизная установка содержит целый ряд технологического оборудования, главным элементом которого является реактор (печь).

Для переработки нефтяного и газового сырья широкое распространение получили реакторы в виде трубчатых (змеевиковых) печей. Они изготовлены из 2-х частей: первая секция с радиантной печью и вторая секция с конвекционной печью. В первой секции с радиантной печью находятся трубчатые реакторы, обогреваемые теплом, выделяемым при сгорании топливного газа. При этом радиаторы обогреваются не пламенем, идущим от горелок, а радиационным излучением тепла, идущего от внутренней футеровки радиантной секции. Конвекционная часть печи отвечает за предварительный этап нагрева водяного пара и сырья, а также за нагрев до начальной температуры процесса пиролиза, до 600-650°C. Чтобы иметь возможность следить за температурой в обеих печных секциях, в выходной части печи размещается вытяжной вентилятор с задвижкой, благодаря чему скорость передвижения дымовых газов также регулируется. В конвекционной секции печи реализуется тепловой обмен между греющим газом и продуктами горения. Газы в конвекционную секцию печи поступают из секции радиантной печи. В конвекционной части нагревается и котловая (питательная) вода, которая идёт на охлаждение продуктов пиролиза. В современных устройствах печей пиролиза конвекционную часть оснащают поверхностью нагрева и перегрева насыщенного пара. Нагрев производится до нужной температуры 550°C, что обеспечивает увеличение теплового КПД, в современных типах печей пиролиза он достигает 91 — 93%.

Несколько слов более детально о реакторах трубчатых печей для пиролиза. В целях увеличения выхода продукта в ходе пиролиза необходимо стремиться уменьшить время нахождения в зоне реакции для сырья, а температуру процесса повысить. На печах пиролиза, используемых в промышленности, так оно и было. На современных моделях печей время контакта составляет около 0,2 секунд, а температура прохождения самого процесса достигает 870-900 °C. Возникает проблема: как возможно так быстро, за 0,2 секунды, нагреть поток сырья с паром от 600 °C вплоть до температуры прохождения пиролиза. При этом необходимо принимать во внимание максимально допустимую температуру современных материалов, из которых изготавливаются реакторы (хромоникелевые сплавы), и сильное отложение кокса на стенках реактора, изготовленного из этих сплавов, в случае повышения температурных характеристик. Без увеличения температуры между стенкой реактора и потоком сырья с паром быстрый нагрев можно осуществить только увеличением удельной поверхности реактора, то есть поверхности на единицу объёма потока сырья. Многие разработчики печей предлагают изготавливать конструкцию реактора из труб с непостоянным диаметром. Изначально реакторы представляли собой одну длинную трубу с одним диаметром по всей длине, равные отрезки которой были согнуты в реактор (змеевик), чтобы конструктивно уменьшить размеры печи. Сегодня реакторы изготавливаются из нескольких входных труб, имеющих небольшой диаметр и объединенных в коллектор, и на выходе реактор (змеевик) состоит уже из 1-ой или 2-х труб, диаметр которых значительно больше. Это помогает поддерживать высокую теплонапряженность на начальном этапе, однако, на конечном этапе температуру понижают, чтобы снизить степень коксообразования. Раннее реакторы в радиантной секции размещались горизонтально, время контакта было не менее 1 секунды, а температура пиролиза не превышала 800 °C. Переход с горизонтальных труб на вертикальные трубы, свободно подвешенные, позволил применить для изготовления змеевиков-реакторов более жаропрочные материалы. Это способствовало появлению печей, работающих в высокотемпературном режиме, а время нахождения потока в реакторе стало намного меньше. Чтобы предотвратить протекание нежелательных реакции, выход печи оснащают закалочно-испарительными устройствами, в которых происходит закалка (быстрое охлаждение) продуктов реакции до 450-550°C, с помощью испарение котловой воды, используемой для производства пара высокого давления.

В свою очередь, реакторы для пиролиза древесины, твердых углеводородов и бытовых отходов зачастую представляют собой швельшахту или печь шахтного типа. Сырье сначала загружается в верхнюю часть реактора, там оно подсушивается и спускается через швельшахту вниз под давлением собственного веса. В средней части реактора, где среда не имеет кислорода, происходит процесс пиролиза – сырье коксуется и разлагается под воздействием высоких температур. Атмосферный воздух при этом не загрязняется, поскольку дымовые газы из реактора проходят сложную систему очистки. Они пропускаются через утилизирующий котел и сушилку-распылитель, после чего их принимает специальный абсорбер. В абсорбере дымовые газы очищаются с помощью суспензии известкового молока и выбрасываются в атмосферу обезвреженными. Отработанную суспензию принимает распылительная сушилка, а шлам в виде солей и золы, полученный в результате очистки, отправляют либо на дальнейшую переработку, либо на хранение. Впоследствии экологически безопасные продукты пиролиза можно использовать как ценное сырье для сельского хозяйства/промышленности, или в качестве дешевого печного топлива.

Отопительное устройство длительного горения – пиролизная печь – представляет собой оптимальный вид автономного агрегата в условиях отсутствия возможности подключения к магистральным линиям энергообеспечения. Установку еще называют газогенератором, так как энергия в нем вырабатывается в результате дожигания газов, которые выделяются при тлении твердого топлива в камере. Пиролизный агрегат способен бесперебойно работать на разовой закладке дров или угля в течение продолжительного периода времени – от нескольких часов до нескольких суток подряд – без постоянного контроля.

Устройство пиролизных печей

Конструкция предусматривает два отсека: в первом закладывается твердое топливо и происходит процесс его медленного окисления. При тлении дров выделяется большое количество горючих газов, которые поступают в отсек выше и сгорают. Чтобы топливо не вспыхнуло, а тлело, строго регулируется подача кислорода. По большому счету пиролизные устройства функционируют на газе, который вырабатывается в самом агрегате.

Схема пиролизной печи

Эксплуатация установки длительного горения дает максимальный объем тепловой энергии при существенной экономии топливных ресурсов. Это обуславливается тем, что горючее перерабатывается практически полностью, в результате сажа и зола почти не образуются, также отсутствует дым.

Плюсы и минусы газогенераторов

Агрегаты пиролизного горения отличаются высокой эффективностью и располагают массой конкурентных преимуществ:

  • высокая производительность – КПД до 95%,
  • экологичность – минимальный уровень дыма, отсутствие сажи,
  • комфортное обслуживание – загружают топливо 1-2 раза в сутки в зависимости от модели, нет необходимости постоянного контроля подачи горючего,
  • вариативность топлива – пиролизы способны работать на любом твердом горючем ресурсе. Это могут быть различные материалы, включая торф, пеллеты, древесину, уголь. Также в ход идут опилки, шелуха, картон и другие виды производственных отходов.

Еще одним плюсом в копилку отмечают доступность самостоятельной сборки и монтажа заводской модели газогенератора и возможность изготовления пиролизной печи своими руками.

Основным недостатком агрегатов длительного горения считается высокая стоимость изделия. В зависимости от мощности модели реализуются в диапазоне от 30 и до 100 тыс. рублей и более. Поэтому многих привлекает идея самостоятельного изготовления пиролизной печи для дома из недорогих материалов.

Среди минусов эксплуатации пиролизных устройств также отмечают требования к качеству топлива. Дрова необходимо хранить в надлежащих условиях, чтобы обеспечить оптимальный уровень влажность. Иначе снижается эффективность работы агрегата, так как наличие влажных паров негативно отражается на процессе переработки газов.

Классификация пиролизных устройств

Газогенераторные печи классифицируются по нескольким категориям. По материалу изготовления различают установки металлические и кирпичные. Также модели делятся по назначению и способу передачи тепловой энергии. По методу передачи тепла различают варианты пиролизных агрегатов с водяным контуром отопления и теплообменниками воздушной системы.

Металлическая печь пиролизного горения

В эту группу входит ряд конструкций:

  1. Печь-буржуйка. Газогенератор с внутренней конструкцией в виде буржуйки применяется для обогрева жилых и технических помещений. Модель также актуальна для бань и саун, используется для приготовления пищи, есть уличные варианты для барбекю комплексов,
  2. Печь Булерьян. Эта пиролизная конструкция шахтного типа с КПД до 75% предназначена для обогрева как жилых, так и нежилых помещений. Через нижние концы опоясывающих котел труб всасывается холодный воздух, который быстро нагревается и выбрасывается вверх в помещение через верхние элементы.
  3. Печь Бубафоня. Изобретенье принадлежит умельцу из Колымы, в качестве основы для конструкции применяется старый газовый баллон. Установка актуальна для отопления технических помещений. Бубафоня из баллона с объемом 50 л способна работать на одной закладке дров 6 часов, поддерживая комфортную температуру в помещении площадью до 70 м².
  4. Печь Лачиняна. Установка сочетает в себе максимально высокий КПД и предельно низкий уровень расхода топлива. Модели активно применяют для обогрева автофургонов и походных палаток. «Лачинянки» используют также для отопления сельхоз строений и охотничьих домиков. Модели с водяной рубашкой применяются для обогрева жилых помещений площадью до 300 м². Примечательно, что 2 ведер угля достаточно для 5-7 суток бесперебойной работы пиролизного агрегата Лачиняна, известного изобретателя из Казахстана.
  5. Пиролизная печь на отработанном масле. Экономичный агрегат длительного горения на отработке предназначен для обогрева нежилых помещений. Конструкция максимально проста, и смастерить такую модель под силу большинству домашних умельцев.

Пиролизная печь Булерьян

Кирпичная печь длительного горения

Газогенератор в виде кирпичной конструкции – печь Кузнецова – применяется для обогрева жилых помещений и банных комплексов. Также устройство используют для приготовления пищи. КПД кузнецовских пиролизных печей – 80% и выше, топливо в них сгорает практически полностью. Весь потенциал горячих газов и дыма используется для нагревания кирпичного корпуса конструкции. Высокую продуктивность кузнецовским газогенераторам обеспечивает особая двухколпаковая конструкция.

Критерии выбора

При желании будет легко подобрать готовую модель, параметры которой соответствуют требованиям, но зачастую увлеченные идеями изобретателей домашние умельцы делают пиролизные печи своими руками. При выборе варианта газогенераторной установки учитывают ряд моментов:

  • назначение пиролизного агрегата. Для отопления сарая, курятника, гаража или других технических помещений выбирают относительно компактную металлическую или кирпичную конструкцию. Для обогрева дома в приоритете строительство кирпичной печи длительного горения. Для туристических целей выбирают походную пиролизную печь портативного типа,
  • мощность устройства. В зависимости от параметров обогреваемого объекта определяется необходимая мощность газогенератора,
  • мобильность конструкции. Кирпичная пиролизная печь стационарна, устройство возводится на постоянном месте эксплуатации. Практически все виды металлических газогенераторов мобильны.

Для туристических целей выбирают походную пиролизную печь портативного типа

Для качественной работы пиролизной печи требуется наличие твердого топлива определенной влажности, запасы которого хранят в подсобном помещении.

Изготовление пиролизных печей

Решая, как смастерить пиролизную печь своими руками, необходимо учитывать площадь и тип обслуживаемого пространства. Работы выполняются на основе чертежей, для создания которых необходимо определить размеры и форму корпуса, уточнить тип расположения отсека для закладки твердого топлива и камеры дожигания газов.

Материалы и инструменты

Для изготовления металлической установки пиролизного горения следует собрать следующий набор подсобных материалов и инструментов:

  • стальные листы толщиной в 3-4 мм марки Ст20,
  • уголки стальные 50 мм – 4 шт,
  • труба d50,
  • арматурные элементы,
  • трубы для дымохода d120,
  • кирпичи – 15 шт,
  • электросварочный аппарат плюс электроды,
  • электродрель, болгарка,
  • молоток, строительный уровень, рулетка, маркер.

Для изготовления металлической установки пиролизного горения следует не забыть про болгарку

При выборе материалов для самостоятельного изготовления газогенератора стоить отдать предпочтение качественным и надежным ресурсам, от этого зависит эффективность устройства и безопасность эксплуатации.

Чертежи и расчеты

Чертеж изделия можно сделать самостоятельно, взяв за основу изображение выбранного агрегата. Далее, учитывая особенности устройства, проводят расчет необходимой мощности. Для этого сначала определяют требуемую мощность установки в режиме пламенного горения, далее вычисляют параметры при режиме газогенерации.

Далее рассчитывают объем топливной закладки, который необходим для обеспечения необходимой мощности. Для этого вычисляют массу топлива, учитывая, что ресурс сгорает только на 80%. При этом стоит помнить, что КПД самодельного очага пиролизного действия в среднем равен 50%.

В конце рассчитывают объем топки с учетом того, что коэффициент загрузки не должен превышать стандартное для этой отрасли значение 0,63.

Выбор и подготовка места

Выбирая место установки печной конструкции, следует учитывать, что пространство вокруг любого очага должно соответствовать требованиям пожарной безопасности:

  • оформляется площадка-основа в виде платформы с ровной поверхностью из негорючих материалов,
  • габариты основания должны быть больше, чем параметры возводимой конструкции,
  • между агрегатом и стенами помещения выдерживается расстояние не менее 80 см,
  • поверхности стен покрывают жаропрочными облицовочными материалами.

Для обеспечения безопасной эксплуатации поверхность пола не менее 1,2 м перед отопительным агрегатом укрепляется негорючим покрытием.

Изготовление и установка

Работы выполняются в следующем порядке:

  1. В начальном этапе делают необходимые заготовки в виде элементов для вертикальных стоек. Далее по ширине установки отмеряют горизонтальные компоненты, после чего детали каркаса сваривают. При изготовлении стенок в передней панели проделывают отверстия для топки и зольника, оснащают их крепежными элементами для установки навесных дверок. Для монтажа колосниковой решетки и поддона с перфорацией, разделяющей топочный отсек от камеры дожига, к внутренней поверхности крепят уголки.
  2. В боковую стенку необходимо врезать поддувало с заслонкой. Для этого из короткого отрезка трубы заготавливают поддувало, просверлив отверстие для оси заслонки. Из арматуры делают ось заслонки, к которой приваривают стальной диск, параметры которого соответствуют внутреннему диаметру поддувала.
  3. Начиная с днища, сваривают детали корпуса, далее укладывают колосниковую решетку с элементом перегородки. После чего приваривают крышку.
  4. В отверстие крышки вваривают отвод с углом поворота 90° для подключения корпуса к дымоходу. К отводу присоединяют боров – горизонтальный участок длиной 1 м. Он нужен для того, чтобы задерживать выход газов из камеры дожигания.

Пример изготовления пиролизной печи своими руками

Шиберную заслонку, которая устанавливается в конце горизонтального участка, выполняют по тому же принципу, что и заслонку поддувала. Но в этом случае диаметр шибера должен быть меньше внутреннего диаметра трубы, также на диске вырезается сектор в ¼ основы.

Правила эксплуатации

Пробный розжиг самодельного отопительного агрегата пиролизного действия выполняется с открытой шиберной заслонкой. На колосник кладут небольшое количество твердого топлива в виде стружек и щепы и разжигают. Далее подкладывают некрупные поленья, закрывают дверцу и заслонку, регулируют мощность при помощи поддувала. Так как шибер имеет разрез, это не позволяет полностью перекрыть дымоход.

Для создания оптимальных условий для эффективной работы печных агрегатов длительного горения, следует придерживаться следующих рекомендаций:

  • при изготовлении металлических пиролизных устройств дымоотводы стоит делать съемного типа. Это заметно упрощает очистку конструкции от продуктов сгорания,
  • применяют качественные топливные ресурсы, особенно если пиролизная конструкция используется для отопления жилых помещений,
  • влажность твердого топлива не должна превышать 21%, иначе это чревато снижением эффективности работы отопительного устройства.

Так как топливо в пиролизном оборудовании выгорает практически полностью, нет нужды в частых чистках зольника и дымохода. При этом необходимо своевременно устранять возможные неполадки, к примеру, при деформации дверцы следует ее починить или заменить. В случае если возникли трещины в швах или другие дефекты, важно прекратить эксплуатацию и провести ремонтные работы.

Несмотря на то, что КПД самодельной пиролизной конструкции для дома несколько уступает промышленным образцам, эффективность такой установки на порядок выше в сравнении с традиционными вариантами дровяной печи. К тому же привлекает доступность материалов и несложность работ по изготовлению отопительной установки своими руками. Также импонирует экономичность расхода горючего и комфортность обслуживания, так как для работы пиролизных агрегатов нет нужды в частых загрузках топлива.

Создать отопительное устройство пиролизного горения своими руками не сложно, но требуется действовать с большой точностью, разработав собственные чертежи или применяя готовые варианты.

Что такое пиролизное горение (пиролиз)?

Тепловую энергию из древесины научились получать ещё в древние времена, но современные технологии позволили модернизировать этот процесс, сделав его более безопасным и экономичным. В традиционных печах происходит горение древесины, сопровождающееся выделением тепловой энергии, при этом для поддержания температурного режима в доме требуется большое количество топлива. Сгорание древесины происходит достаточно быстро, поэтому необходимо постоянное присутствие человека для своевременного удаления золы и закладки новых порций дров.

В пиролизных котлах традиционное горение топлива отсутствует — его заменяет процесс тления, который называется пиролизом. Что же такое пиролизное горение? В обычных условиях под воздействием высоких температур древесина начинает гореть, однако горение невозможно при отсутствии или недостатке кислорода. В пиролизных котлах доступ воздуха к топливу ограничен, а температура достаточно высока, поэтому вместо горения древесина начинает разлагаться на летучий газ и твёрдые отходы. Этот процесс и называется пиролизом.

Откуда же берётся тепловая энергия для обогрева жилища? Горячий древесный газ смешивается с воздухом, что запускает процесс горения и приводит к нагреву теплоносителя. Разница между обычным и пиролизным горением заключается в следующем. Температура горения древесного газа намного превосходит температуру при обычном горении древесины, поэтому при пиролизе сгорают многие газы и вредные примеси, которые в обычных дровяных печах уходят в дымоход и загрязняют окружающую среду. При пиролизе образуется намного меньше сажи и золы, что позволяет очищать котёл всего несколько раз в неделю, а не после каждой сгоревшей порции топлива.

Первый этап работы пиролизного котла напоминает работу обычных дровяных печей. В загрузочной камере поджигается небольшое количество древесины. При достижении температуры 450°C начинается выделение древесного газа. В этот момент следует произвести полную дозагрузку топлива и перекрыть доступ воздуха с помощью шиберных заслонок. Чтобы направить летучие газы в нижнюю камеру, где и будет происходить их сгорание, применяют нагнетающий вентилятор.

В форсунку, через которую древесный газ попадает в камеру сгорания, подводят воздух, и при температуре 560°C начинается горение смеси пиролизного газа с кислородом. Максимальная температура в камере сгорания может достигать 1100 °C, и вся эта тепловая энергия уходит на нагрев теплоносителя, что значительно повышает КПД отопительного оборудования. Продолжительность пиролизного горения превышает время обычного сгорания дров в несколько раз, что снижает расход топлива за одну и ту же единицу времени.

Управление пиролизным процессом осуществляется системой шиберов, а кроме того, пиролизные котлы оборудованы автоматикой, что позволяет полностью исключить присутствие человека для обеспечения работы котла. С помощью автоматических систем можно настроить работу котла на необходимый температурный режим в зависимости от погодных условий. Применение пиролиза позволяет использовать все энергетические резервы древесного топлива, существенно снижает затраты на отопление жилища, облегчает эксплуатацию отопительной системы, делает её более эффективной, безопасной и надёжной.

На сайте компании DM-Stella представлен широкий модельный ряд твердотопливных пиролизных котлов разной мощности, с помощью которых можно обеспечить обогрев помещений любой площади — от частных домов до больших производственных цехов или складских помещений.

Ацетон — простейший представитель насыщенных кетонов.

Физические свойства

Ацетон (пропанон-2, диметилкетон) СН3-СО-СН3 — летучая бесцветная жидкость с характерным запахом и температурой кипения 560С.

Ацетон легче воды, смешивается с ней в любых соотношениях, хорошо растворяется спирте и эфире.

Он хорошо растворяет многие органические вещества (жиры, смолы, ацетилцеллюлозу, воск, резину и др.), поэтому является незаменимым растворителем в быту и в лакокрасочной промышленности.

Ацетон встречается в организме человека. Он является промежуточным продуктом обмена веществ. Незначительное количество ацетона, образующееся в организме человека в результате метаболических реакций, выводится вместе с мочой. У больных диабетом следы ацетона можно обнаружить в выдыхаемом воздухе.

А знаете ли вы?

Один из простейших и в то же время важнейших из кетонов — ацетон — впервые выявлен в 1595 году немецким химиком Андреасом Либавием в процессе сухой перегонки ацетата свинца. Однако точно определить его природу и химический состав удалось только в 1832 году Жану-Батисту Дюма и Юстусу фон Либиху. До 1914 года ацетон получали практически исключительно коксованием древесины.

Токсичность ацетона

Ацетон обладает возбуждающим и наркотическим действием, поражает центральную нервную систему. Ацетон способен накапливаться в организме, т.к. медленно выводится из организма. Он может поступать в организм с вдыхаемым воздухом, а также через пищевой канал и кожу.

После поступления ацетона в кровь часть его переходит в головной мозг, селезенку, печень, поджелудочную железу, почки, легкие и сердце. Содержание ацетона в указанных органах несколько меньшее, чем в крови.

При вдыхании паров ацетона происходит кислородное голодание мозга. Поэтому, в помещениях, в которых происходит испарение ацетона, создается опасность отравления при вдыхании его паров.

Химические свойства

Аце­тон яв­ля­ет­ся одним из наи­бо­лее ре­ак­ци­он­но­спо­соб­ных ке­то­нов.

Ацетон, как и все кетоны, не дает реакции «серебряного зеркала», не полимеризуется. В этом его отличие от альдегидов.

1. Гидрирование (восстановление)

При тех же условиях, что и формальдегид, ацетон присоединят водород:

Водород присоединяется вследствие разрыва двойной связи карбонильной группы.

2. Взаимодействие с гидросульфитом натрия

Ацетон один из немно­гих ке­то­нов об­ра­зу­ет би­суль­фит­ное со­еди­не­ние:

3. Альдольная конденсация

Под дей­стви­ем ще­ло­чей ацетон всту­па­ет в аль­доль­ную са­мо­кон­ден­са­цию, с об­ра­зо­ва­ни­ем «ацетонового» (ди­аце­то­но­во­го) спир­та:

4. Взаимодействие с синильной кислотой

Одной из наиболее важных реакций ацетона является присоединение к нему синильной кислоты с об­ра­зо­ва­ни­ем аце­тон­ци­ан­гид­ри­на:

5. Пиролиз ацетона

При нагревании выше 5000C ацетон распадается на кетен и метан:

6. Галоформная реакция (иодоформная реакция, или проба Люголя)

Качественная реакция на ацетон!

При взаимодействии ацетона с избытком йода в щелочной среде образуется йодоформ – желтое вещество с характерным запахом:

Аналогичные реакции идут с хлором и бромом, но только реакция с йодом приводит к нерастворимому йодоформу.

7. Взаимодействие с нитропруссидом натрия

Качественная реакция на ацетон!

Ацетон с нитропруссидом натрия в щелочной среде дает интенсивно-красную окраску. При подкислении уксусной кислотой CH3COOH окраска переходит в красно-фиолетовую:

Йодоформная реакция и реакция с нитропруссидом натрия используются для обнаружения ацетона в моче при сахарном диабете.

Получение

Ацетон получают в больших количествах различными методами: при сухой перегонке дерева, разложением ацетата кальция, окислением пропена, «кумольным» способом, окислением изопропилового спирта, гидратацией ацетилена водяным паром.

1.Кумольный способ

Данный способ получения фенола основан на окислении кумола (изопропилбензола). В качестве исходных продуктов используют бензол и пропилен.

Процесс протекает в три стадии. На первой стадии бензол алкилируется пропеном с получением кумола, на второй и третьей (реакция Удриса-Сергеева) полученный кумол окисляется кислородом воздуха до гидропероксида, который при действии серной кислоты разлагается на фенол и ацетон:

Окисление кумола — экономически выгодный метод, так как позволяет получить наряду с фенолом другой важный продукт — ацетон (на 1 кг фенола приходится 0,6 кг ацетона). В настоящее время этот метод наиболее широко используется в промышленности и позволяет производить более 80% синтетического фенола.

2. Окисление изопропилового спирта

Ацетон получают в больших количествах при окислении изопропилового спирта:

В качестве катализатора применяется медь, серебро, никель, платина и др. Воздух, насыщенный парами изопропилового спирта, пропускают над тонким слоем катализатора при температуре 400-6500С.

Если процесс окисления протекает в жидкой фазе, то, как побочный продукт образуется пероксид водорода:

3. Каталитическое окисление пропена кислородом воздуха

В промышленности ацетон получают прямым окислением пропена в жидкой фазе в присутствии катализатора — смеси PdCl2 и CuCl2 при температуре 1000C:

4. Брожение крахмала

Незначительное значение имеет метод брожения крахмала под действием бактерий с образованием ацетона и бутанола. Метод характеризуется малыми выходами.

5. Пиролиз ацетата кальция

Ацетон можно получить пиролизом ацетата кальция:

6. Гидратация ацетилена водяным паром

Реакция протекает при 400-4600С над катализатором, содержащим оксиды железа и марганца:

Применение

В качестве растворителя ацетон используется в производстве красок, лаков и олифы, резины, пластмасс, красителей, взрывчатых веществ, а также в фотографии.

Ацетон применяется в производство искусственного шелка и синтетической кожи, в производстве смазочных масел, бездымного пороха, кинопленки.

В химической промышленности ацетон является промежуточным химическим соединением при производстве многих химикатов, таких как кетен, уксусный ангидрид, бисфенол А, метилметакрилат, хлороформ, изофорон, йодоформ, витамин С.

Метилметакрилат применяется, главным образом, в виде листов пластика, порошков для литья и формовки, поверхностных покрытий, эмульсионных полимеров, волокон, чернил и пленок.

Метилметакрилат также применяется в производстве материалов, известных под названием плексигласа или люцита. Они используются в зубных протезах, твердых контактных линзах, и клеях.

Метилметакрилат – мономер для синтеза полиметилметакрилата («органическое сырье»).

Альдегиды и кетоны

Температура горения пиролизного газа

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *