CC BY
256
УДК 66.092-977
Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, И. И. Хуснуллин
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССА
ПИРОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Ключевые слова: пирогенетическая переработка, пиролиз, древесина, отходы деревопереработки, производство, древесный уголь, биомасса, биоэнергетика, оптимизация процесса, продукты пиролиза, вертикальная реторта, пирогазы, жижка, сушка, тепловая труба, сырье, эффективность процесса, качество угля, установка,
энергоносители.
Проведен анализ современного состояния процесса пиролиза органических веществ. Дано описание разработанной установки для производства древесного угля, имеющей несколько технологических зон, позволяющих получить древесный уголь высокого качества, обеспечить технологическую безопасность и достичь максимальную энергоэффективность.
Keywords: pyrogenetic processing, pyrolysis, wood, waste wood processing, production, charcoal, biomass, bioenergy, the optimization process, the pyrolysis products, vertical retort, pyrolysis, zizka, drying, heat pipe, raw materials, process
efficiency, coal quality, installation and energy costs.
The analysis of the current state of the pyrolysis of organic substances. A description of the developed plants for the production of charcoal, which has several technological areas that provide a high quality charcoal, to provide technology security and to achieve maximum efficiency.
Стоимость ископаемых топлив на рынке с каждым годом постоянно увеличивается. В условиях глобального роста цен на углеводородное сырье ведется активный поиск альтернативных источников энергоносителей. В сложившейся ситуации использование биомассы возобновляемого сырья для получения энергии становится экономически выгодным.
Сравнительная энергетическая плотность топлив из древесной биомассы и традиционных из нефтяного сырья, ГДж/м3: опилки - 2,3; древесная щепа - 7,2; пеллеты -11,7; древесный уголь - 9,0; древесноугольные брикеты - 19,5; метанол - 17,7; этанол - 22,4; биомасла Ensyn (Канада) - 20,0; бионефть Dynamotive (Канада) - 20,4; бионефть (СПб ГЛТА) - 30,5; биомасла (СПбГЛТА) - 32,3; дизельное топливо - 36,0; мазут - 38,4.
Учитывая перспективность развития биоэнергетики, во всех промышленно-развитых странах интенсивно прорабатываются направления термической переработки древесной биомассы, такие как газификация, ожижение, быстрый пиролиз биомассы (ультрапиролиз), включая специальные энергетические лесопосадки (ива, тополь, эвкалипт). Существенным достоинством древесины как топлива по сравнению с другими видами твердых топлив (угли и сланцы) является низкое содержание серы и других вредных примесей. Следовательно, дымовые газы при сжигании древесины не требуют дополнительной очистки. Кроме того, характерной положительной особенностью древесного сырья является его воспроизводимость, тогда как запасы всех видов ископаемого топлива систематически уменьшаются. При грамотном и рациональном подходе к использованию и восстановлению лесов мы получаем практически неисчерпаемый энергетический ресурс. Все это привело к тому, что сегодня биомасса - четвертое по значению топливо в мире, использование которого дает около 14 % общемирового потребления первичных источников энергии. Национальные энергетические программы стран ЕС, США и Канады планируют дальнейший рост биоэнергетики.
В России при лесозаготовках ежегодно образуется примерно 800 млн. т низкосортной древесины (береза, осина и др.), пригодной для энергетического использования, а при переработке древесины ежегодно накапливается примерно 70 млн. т древесных отходов. Несмотря на наличие таких огромных древесных ресурсов, к настоящему времени, доля получаемой из них энергии не превышает 2 % [1].
Основными недостатками, препятствующими широкому использованию биомассы в энергетике и химической промышленности, являются ее относительно низкая теплота сгорания и высокая влажность (до 70 %). Один из способов устранения этих недостатков -превращение биомассы в более удобные для использования жидкие или газовые продукты.
За многие миллионы лет природа накопила богатейшие запасы углерода в виде угля, нефти и природного газа. Сейчас эти ископаемые виды топлива используются человечеством для получения энергии и химических продуктов.
В 20 веке большинство продуктов органической химии производилось из каменных углей. По мере увеличения добычи нефти химические вещества угольного происхождения начали вытесняться продуктами нефтехимического синтеза, производимыми более простыми и менее энергоемкими способами. Однако оценка разведенных мировых запасов различных видов ископаемого органического сырья приводит к выводу о том, что месторождения нефти и газа будут исчерпаны уже в первые десятилетия 21 века. Запасов же угля должно хватить на гораздо более длительный срок.
В качестве альтернативы ископаемым топливам все шире стали применяются возобновляемые источники энергии и органического сырья. Важнейшее из них - растительное сырье, образующееся в процессе фотосинтеза. Компоненты древесины - весьма ценное химическое сырье, из которого можно получить не только все продукты нефтехимического синтеза, но и уникальные соединения, например, биологически активные вещества [2]. Перспективной областью использования древесного сырья является производство синтетических топлив.
Получение продуктов из древесины путем воздействия высокой температурой относится к числу древнейших технологий в истории человечества [3, 4]. Археологические раскопки свидетельствуют, что еще пещерные люди знали древесный уголь. Его собирали на пожарищах или делали специально, засыпая золой тлеющие головни, а укрываясь в пещерах от непогоды, использовали как топливо, не вызывающее угара. Наверное, первый металл был выплавлен случайно, когда камни, которыми обложили очаг с горящими углями, оказались рудой. С начала бронзового века древесный уголь стал одной из основ развивающейся цивилизации. Его особенности — высокое содержание углерода, отсутствие вредных для многих технологий фосфора, серы, тяжелых металлов, возможность изготовления на его базе разнообразных сорбентов — позволяют древесному углю и в начале ХХ1 в. оставаться одним из важных продуктов.
Аппаратов для термического разложения древесины создано множество. Некоторые из них продолжают работать в настоящее время. Другие, еще недавно использовавшиеся в промышленности, теперь потеряли свое значение. Еще больше таких, которые остались в патентах, конструкторских разработках, опытных установках.
На кафедре «Переработки древесных материалов» тема пиролиза древесины изучается с 2005 года. Проведены исследования по темам: термическая переработка отходов деревообрабатывающих предприятий, математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды [5], утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза [6], термическое разложение древесины при кондуктивном подводе тепла, быстрый пиролиз древесины в абляционном режиме [7].
В настоящее время на кафедре разработана установка для производства древесного угля, позволяющая получить древесный уголь и жидкие продукты пиролиза. Данная установка отличается от предыдущих повышенной эффективностью процесса пиролиза за счет использования в работе установки несконденсировавшегося пиролизного газа в качестве топлива для сжигания в топке и многократного использования топочных газов в рециркуляционном режиме, и тем, что подвод тепла в установке осуществляется конвективным способом. Принципиальная схема установки изображена на рисунке 1.
Установка для производства древесного угля состоит из вертикальной реторты непрерывного действия 1, соединенной с разделительным аппаратом 12, топкой 9, конденсатором 16 и рекуперативным теплообменником 17.
Рис. 1 - Установка для производства древесного угля
Через дозирующий загружатель 15 технологическое сырье (древесную биомассу) загружают в зону сушки 2 вертикальной реторты 1, где его сушат и прогревают до 200 °С, за счет подачи топочных газов через патрубок 7. Затем топочные газы в виде парогазовой смеси удаляют из зоны сушки 2 в конденсатор 16, при этом температура отводящихся топочных газов поддерживается в пределах 100 °С.
Из зоны сушки 2 через барабанный питатель 25 технологическое сырье поступает в зону пиролиза 3, где температура сырья возрастает до 350 °С за счет тепловой трубы 28, а затем до 500 °С за счет тепла, выделяющегося в процессе экзотермических реакций. В зоне пиролиза 3 происходит выделение пирогазов и образование угля.
Для отвода образовавшихся пирогазов из зоны пиролиза 3 в разделительный аппарат 12 используют жижку, которую из зоны накопления жижки 13 нагнетают насосом 14 в эжектор 11. Температуру жижки в разделительном аппарате 12 изменяют регулятором 22 в зависимости от значений измерительного прибора 33, измеряющей температуру топочных газов на выходе из зоны сушки 2. При повышении температуры топочных газов выше 100 °С температура жижки понижается, в результате увеличивается ее выход, и сокращается подача несконденсировавшихся газов в топку 9. Для предотвращения заполнения разделительного аппарата 12 жижка при достижении уровня патрубка 29 переливается в отдельный резервуар 30.
Из разделительного аппарата 12 несконденсировавшиеся пирогазы отводят эжектором
18 и направляют в топку 9, где их сжигают. Температура получаемых в топке 9 топочных газов достигает 1000 °С.
Образовавшийся в зоне пиролиза 3 уголь через барабанный питатель 26 поступает в зону охлаждения 4 и охлаждается до 150 °С сначала за счет отдачи тепловой энергии углем тепловой трубе 28 (которая в свою очередь дополнительно нагревает технологическое сырье в зоне пиролиза 3), а затем за счет отдачи тепла сухим топочным газам, поступающим из конденсатора 16.
Тепловая труба 28 (рис. 2) представляет собой две системы, сообщающиеся между собой трубами 37, выполненные из соосно расположенных трубных тепловых рубашек 35, 36. Верхняя система (из трубных тепловых рубашек 35) находится в верхней части зоны пиролиза
3, а нижняя (из тепловых рубашек 36) - в верхней части зоны охлаждения 4. Полость нижней системы на четверть заполнена теплоносителем. В качестве теплоносителя используется
_____________________________________________ полиэтиленгликоль, имеющий низкое
парциальное давление паров.
Древесная масса 38, проходя между трубными тепловыми рубашками 35 в зоне пиролиза 3, нагревается за счет конденсации паров теплоносителя. Конденсат стекает в нижнюю систему, расположенную в зоне охлаждения 4 и вновь испаряется, охлаждая угольную массу, проходящую между трубными тепловыми рубашками 36 в зоне охлаждения 4.
Сухие топочные газы, проходя через зону охлаждения 4, нагреваются до температуры 400 °С и направляются в рекуперативный теплообменник 17, где они охлаждаются до 150 °С. Часть охлажденных газов направляются дымососом 20 в трубопровод 31, что позволяет за счет регулятора 21, соединенного с измерительным прибором 34, регулировать температуру топочных газов поступающих через патрубок 7 в зону сушки 2.
Из зоны охлаждения 4 через барабанный питатель 27 уголь попадает в зону накопления 5, где дополнительно охлаждается до температуры примерно 40 °С за счет отдачи тепла воздуху, подаваемому через патрубок 23 воздуходувкой 19, и выгружается через дозирующий выгружатель 8. Воздух в зоне накопления 5 прогревается до 100 °С и через патрубок 24 воздуходувкой
19 направляется в рекуперативный теплообменник 17, где температура воздуха возрастает до 350 °С, а затем нагнетается в эжектор 18.
Рис. 2 - Тепловая труба
Для первоначального запуска установки через вентиль 32 в топку 9 подают природный газ. С началом подачи пирогазов из разделительного аппарата подачу природного газа через вентиль 32 прекращают.
Данная установка позволяет повысить эффективность процесса пиролиза за счет: использования в работе установки несконденсировавшегося пиролизного газа в качестве топлива для сжигания в топке, многократного использования топочных газов в рециркуляционном режиме, получения древесного угля более высокого качества (за счет равномерного охлаждения получаемого угля в нем не возникают трещины) и повышения пожаробезопасности работы установки за счет выгрузки охлажденного до 40 °С угля, а также повышения производительности процесса за счет сокращения времени прогрева древесной биомассы и времени охлаждения угля.
Установка для производства древесного угля может найти применение в производстве древесных углей, а также жижки, из которой можно выделить уксусную кислоту, березовый деготь, растворимые и нерастворимые кислоты, жидкие горючие вещества для целей отопления и энергетики.
Литература
1. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №4. - С. 120-130.
2. Сафин, Р.Р. Экспериментальные исследования переработки древесной зелени хвойных пород / Р.Р. Сафин, А.Е. Воронин, Д.Ф. Зиатдинова // Вестник МГУЛ. - 2010. - №4. - С. 87-91.
3. Выродов, В. А. Технология лесохимических производств / В. А. Выродов, А.Н. Кислицын, М.И. Глухарева и др. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 352 с.
4. Славянский, А.К. Химическая технология древесины / А.К. Славянский, В.И. Шарков, А.А. Ливеровский и др. - М.: ГОСЛЕСБУМИЗДАТ, 1962. - 576 с.
5. Сафин, Р. Р. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, И.А. Валеев // Вестник МГУЛ. - 2005. - №2. - С. 168-174.
6. Исхаков, Т.Д. Энерго- и ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза / Т.Д. Исхаков, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, Р.Г. Сафин // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2008. - № 11-12. - С. 16-20.
7. Грачев, А.Н. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме / А.Н. Грачев, Р.Г. Хисматов, Р.Г. Сафин, В.Н. Башкиров // Известия Самарского научного центра РАН. - 2008. -Специальный выпуск - С. 25-29.
© Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ tnail@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КГТУ, safin_rg@kstu.ru; И. И. Хуснуллин - асп. той же кафедры, hundler@yandex.ru.
