CC BY
74
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ТЕРМИЧЕСКАЯ УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ
A. Н. ГРАЧЕВ, докторант каф. переработки древесных материалов КГТУ, канд. техн. наук, Р.Г. САФИН, проф. каф. переработки древесных материалов КГТУ, д-р. техн. наук,
И.А. ВАЛЕЕВ, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, канд. техн. наук,
П.А. КАЙНОВ, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, канд. техн. наук,
B. Н. БАШКИРОВ, проф. каф. переработки древесных материалов КГТУ, д-р. техн. наук
Использование отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки является одной из наиболее серьезных и пока нерешенных проблем лесного комплекса. Одним из перспективных видов энерготехнологической переработки древесных отходов является их переработка методом пиролиза с получением тепловой энергии и химических продуктов [8]. Однако в большинстве случаев используемые на деревообрабатывающих предприятиях технологии пиролиза не способны отвечать современным требованиям по энергозатратам, экологичности и эффективности. Высокая продолжительность процесса и низкая эффективность оборудования приводит к отказу от использования на малых предприятиях существующих технологий пиролиза, а новые высокотехнологичные установки дороги и доступны только крупным деревообрабатывающим предприятием. В статье представлены результаты расчетноэкспериментальных исследований процесса пиролиза древесины как метода переработки древесных отходов с получением тепловой энергии, древесного угля и жидких продуктов, предложены технологическая схема и математическая модель расчета процесса пиролиза с учетом сушки, термического разложения, конденсации парогазовой смеси и охлаждения готового продукта.
На рис. 1 представлена принципиальная схема процесса пиролиза древесных отходов [1]. Топочные газы подаются в камеру пиролиза 1, где осуществляется пиролиз древесины в плотном зернистом слое. Образующаяся парогазовая смесь отводится в конденсатор 2, откуда неконденсирующиеся газы подаются газодувкой 3 на дожиг в топочную камеру 4, а конденсирующиеся продукты собираются в сборник. По окончании стадии термического разложения древесный
уголь охлаждается рециркуляцией парогазовой смеси по контуру камера пиролиза - конденсатор. Процесс пирогенетического разложения древесины можно представить как совокупность стадий прогрева, сушки, термического разложения и охлаждения. При достижении поверхностью частицы температуры мокрого термометра, начинается стадия сушки, которая заканчивается примерно при 120 °С. С увеличением температуры начинается стадия термического разложения. При температуре 270-275 °С начинается бурный распад древесины с выделением тепла и образованием основной массы продуктов разложения [2]. По окончании процесса пиролиза древесный уголь необходимо стабилизировать - лишить его способности самовозгораться. Для этого древесный уголь необходимо охладить до температуры порядка 50-80 °С. Поэтому продолжительность процесса пиролиза тм древесного сырья можно представить в виде совокупности процессов прогрева тп, сушки тс, термического разложения ттр и охлаждения древесного угля тохл.
Рис. 1. Схема установки для пиролиза древесных отходов: 1 - камера пиролиза; 2 - конденсатор; 3 - газодувка; 4 - топочная камера
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008
71
ДЕРЕВООБРАБОТКА
т = т+ т + т+ т . (1)
Стадию прогрева древесной частицы в условиях слоя можно описать дифференциальными уравнениями нестационарной теплопроводности. Изменение температуры агента при его прохождении через слой кусковой древесины, пренебрегая молекулярной теплопроводностью, можно определить как
дТ =д(Тм-т, Ж _ Jan
дт Ccjpjrc - U) W
Теплообмен между парогазовой смесью и частицами слоя происходит в сочетании с теплопроводностью внутри самой частицы. Уравнение теплопроводности на стадии прогрева для частиц слоя имеет вид [3]
дТм
дт
1
д
(
■ X дх
Х ■Х
дТм
дх.
Л
(3)
СрЛ ку.л,м V м J
Система уравнений переноса энергии для парогазовой смеси (2) и материала (3) с соответствующими граничными (4-6) и начальными условиями (7-8) описывает процесс прогрева в слое дисперсного материала при фильтрации теплоносителя.
дг~- = а(Тм - Т,); (4)
х=ХП
дТ„
-Х
дх.
дх.
= 0;
(5)
х=0
Т,(т;0) = тт; (6)
Тт(Хм;0) = Тм.нач; (7)
Т(0- ) = Т . (8)
гк 7 сл' нач 4 у
Изменение влажности частицы во времени в период постоянной скорости сушки можно определить с помощью выражения [4]
dW = jn F4 Jp (Рн _ Р)
d т
(9)
PoV P0V4
где давление насыщения водяного пара рн в зависимости от температуры может быть определено с помощью уравнения Антуана, а парциальное давление водяного пара в газовой смеси можно определить из соотношения
Р=P■ Уп = P■
VВ
у Г
(10)
Совместное решение уравнений (3, 9, 10) с начальными условиями Тм(0,х) = Тм(т X), W(Tn) = Wh позволяет определить продолжительность стадии сушки. При этом граничное
условие (4) для выражения (3) перепишется в виде
-Х,
дх
дТ
=а(Тм-ТГУм . (11)
х=хп
Изменение доли прореагировавшей древесины для локального обьема в пространственно-временной постановке можно определить с помощью уравнения химической кинетики. Уравнение химической кинетики с учетом температурно-барической зависимости константы скорости химической реакции запишется в виде [5]
0V , пт
—=ke КТм
дт 0
Е f р угр
Р
X 0
■V .
(12)
Значение температуры по сечению материала в выражении (12) можно определить с помощью уравнения теплопроводности с дополнительным членом, учитывающим изменение температуры локального элементарного объема во времени в результате химических превращений
дТ- 1 ........... (13)
ХхдТм ■ хГ '
дт ср^хГ дх^ дх По закону сохранения энергии приращение количества тепла в элементарном объеме равно количеству тепла, расходуемому на изменение энтальпии данного объема. В данном случае изменение количества тепла в рассматриваемом объеме составит [6]
дQ=cpV----дт . (14)
дт
С другой стороны, изменение тепловой энергии выделенного объема будет равно произведению теплового эффекта на массу прореагировавшего вещества за вычетом теплоты парогазовой смеси. Таким образом получаем следующее соотношение
Оф <дтУ +дтг)~Сг •дтг ‘ Тг = ёБ (15)
Изменение массы компонентов в системе можно определить с помощью стехиометрических соотношений для газовой смеси (16); для древесного угля (17); для прореагировавшей древесины (18) дт, дv
—г=—V ■т ; (16)
дт дт
дту 8v у ч
=аЧ1-у )то; (17)
дт дт
72
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008
ДЕРЕВООБРАБОТКА
дтг дту dv пял
дт дт дт
С учетом выражений (16-18) выражение (13) перепишется в следующем виде
дТ- 1 .1БЗД+
дт ср-X дх^ дх
Н&ф -Сг T-Vo)
^,-С _ . .
+ дГ ( С г ) . (19)
дт-с-(1-у-У0)
Решение начально-краевой задачи (12, 19) с граничными условиями (4, 5) и начальными условиями
v(0, Хм) = 0, (20)
Тм(0, Хм) = ТК + ХМ1 (21)
позволяет определить продолжительность стадии термического разложения. При этом суммарный поток парогазовой смеси с поверхности частицы при термическом разложении можно определить из выражения [5]
J =
dm4 dтF
v m Х ду
:V°m° j ^ , F xn 0 дт
(22)
Массовый расход образовавшихся в слое газов можно определить из соотношения
G=S-/-(-sjf Jdz. (23)
0
Тогда уравнение материального баланса для процесса удаления парогазовой среды из камеры пиролиза запишется в следующем виде
G dz - П p dx + П p dx = V dp . (24)
В этом уравнении первый член левой части характеризует приток парогазовой смеси в камеру пиролиза за счет выделения из древесины продуктов разложения; второй член - отвод парогазовой смеси в систему откачки; третий - приток парогазовой смеси из топки; правая часть характеризует изменение массы парогазовой смеси, содержащейся в свободном объеме аппарата.
После некоторых преобразований выражения (24) получим дифференциальное уравнение изменения давления парогазовой смеси над пиролизуемым материалом
dP_G+nm-pm RT р
П dT
V
Св
Т-ск
(25)
* у.-К
Объемная производительность системы удаления парогазовой смеси определяется как сумма объемных производительностей газодувки и конденсатора.
Уравнение теплового баланса для процесса конденсации запишется в следующем виде
с p П. (Т- Т ) + П. pkT(r.x.) = K AT F, (26) где левая часть - изменение внутренней энергии теплоносителя, отнимаемой при конденсации насыщенных паров и при охлаждении конденсата; правая часть уравнения характеризует отток тепла от среды в конденсаторе.
Производительность конденсатора можно выразить в следующем виде Пк = KAT Fk/с p (Т - Т ) + pkT(r. x). (27) Производительность газодувки найдем из уравнения материального баланса по выражению
ПЛ = (G/ p + П) - П. (28)
Изменение температуры среды можно определить из уравнения теплового баланса для парогазовой фазы
p с V dT = а(Т - Т) Д dx - П p с Т х
г см см св 4 м.пов х сп г см см
х Jx + с F G Т dx + (с p ) Т П dx, (29)
где левая часть уравнения характеризует изменение теплосодержания парогазовой фазы; первый член правой части характеризует подвод или отвод тепла за счет теплообмена с поверхностью материала; второй член - отвод тепла с удаляемыми в линию откачки парами; третий - приток тепла из пиролизуемого материала, четвертый - приток тепла из топки. Преобразовав выражение (29), получим дифференциальное уравнение изменения температуры парогазовой среды
dT
dz
Тм,ое~Т ■R‘F+ СшРш-Тт-Пп
P-M-C-V,
см св
П
ч
R-G,TM.noe
V-P-M
•Т. (30)
Стадию охлаждения готового продукта можно описать системой уравнений переноса энергии для парогазовой смеси (2) и материала (3) с соответствующими граничными
Тг(т;0) = T; (31)
и начальными условиями
Т (0;х ) = Т (т + т + т ,х ), (32)
T(0;z) = Тп. (33)
Тепловой баланс процесса охлаждения теплоносителя в конденсаторе можно представить в виде соотношения
KATF dz = c p V dT , (34)
к ср^ ср ср сру 4 х
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008
73
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Рис. 2. Схема экспериментального стенда для исследования кинетики процесса пиролиза: 1 - камера пиролиза; 2 - цифровой преобразователь; 3 - компьютер; 4 - блок управления температурой; 5 - тензометрический датчик; 6 - водокольцевой насос; 7 - блок управления системой понижения давления; 8 - резервуар с водой; 9 - шток датчика; 10 - конденсатор, 11 - термопары; 12 - воздуходувка; 13 - баллон с инертным газом; 14 - газовый счётчик; 15 - манометр
ткоНтнач 1,2
1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
• 200, °С а 350, °С ■ 500, °С
V-.. ■ 1
и- • А ► А* А ааа
rV ■■А А ■ ■ L • • • •
■ А НА1 Lu / А * А • • • •
• ■ ■ ■■ ■
T, °С 600
500
400
300
200
100
0
0 10 20 30 40 50 60
т, мин
Рис. 3. Кинетические кривые температуры и массы при различных значениях
Левая часть уравнения (34) характеризует отток тепла от среды в конденсаторе, правая часть - изменение внутренней энергии теплоносителя. Совместное решение уравнений (2, 3), (34) позволяет определить продолжительность стадии охлаждения. Таким образом, разработанная математическая модель позволяет определять продолжительность последовательных стадий процесса пиролиза.
Для проверки формализованной модели процесса пиролиза древесных отходов на
адекватность реальному процессу был создан экспериментальный стенд [7], представленный на рис. 2. Результаты экспериментальных исследований и результаты, полученные математическим моделированием в идентичных условиях, представлены в виде графических зависимостей (рис. 3-5), на которых сплошными линиями изображены данные, полученные расчетным путем, точками - экспериментальные значения. На рис. 3. представлены кинетические кривые температуры и массы при различных значениях температуры среды.
Данные зависимости показывают, что с увеличением температуры среды снижается продолжительность процесса и выход угля.
Анализ кинетических кривых температуры массы и результатов моделирования при различных значениях давления среды позволил выявить характер зависимостей продолжительности процесса пиролиза (кривая 1) и выхода угля от температуры среды (кривая 2).
На рис. 4 представлена зависимость продолжительности процесса пиролиза и выхода древесного угля от давления среды. Данная зависимость показывает, что с повышением давления среды продолжительность процесса пиролиза уменьшается, а выход угля возрастает.
74
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Т, мин тшНтнш
P, Па-105
Рис. 4. Зависимость продолжительности пиролиза (кривая 1) и выхода древесного угля (кривая 2) в зависимости от давления среды
Рис. 5. Зависимость толщины зоны термического разложения от времени при различных значениях размера образца: 1-0,01 м; 2-0,04 м; 3-0,15 м; 4-0,2 м
В результате математического моделирования был определен характер зависимостей продвижения внутренней и внешней границ зоны термического разложения внутри материала. При этом положение внутренней границы определялось при условии равенства текущей температуры начальной температуре разложения древесины, а положение внешней границы при условии равенства текущей доли прореагировавшей древесины единице. На рис. 5 представлена расчетная зависимость толщины зоны термического разложения от времени при различных зна-
чениях размера образца. Максимумы кривых соответствуют достижению внутренней границы термического разложения центра частицы. Данная зависимость показывает, что с увеличением размера частицы снижается относительная толщина зоны термического разложения, а доля прогрева материала в общей продолжительности процесса увеличивается.
Таким образом, на основе проведенных исследований разработано математическое описание процесса пиролиза древесины. Разработан экспериментальный стенд и проведена серия опытов. В результате математического и физического моделирования определен характер влияния давления, температуры среды, размера, плотности и влажности образца на продолжительность процесса пиролиза и выход конечных продуктов; выявлен характер эволюции зоны термического разложения в процессе пиролиза.
Условные обозначения:
Q - количество теплоты, Дж;
Рр - коэффициент массоотдачи, кг/(м2 с Па); d - влагосодержание, кг/кг; c - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); р - плотность, кг/м3;
X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м^К); а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); a - коэффициент температуропроводности, м2/с;
Т - температура, °С;
V - объем, м3;
v - доля прореагировавшей древесины, кг/кг;
Е - энергия активации, Дж/Кмоль; к - кинетическая константа скорости химической реакции, 1/сек; j - поток вещества, кг/ (м2 с);
F - площадь поверхности, м2; т - время, с; m - масса, кг;
гг - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; х - координата, м;
у - мольная доля компонентов, моль/моль;
P - общее давление, Па; p - парциальное давление, Па;
П - объемная производительность, м3/с;
К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К);
R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); M - молярная масса смеси, г/моль; w - скорость потока, м/с;
Г - параметр, зависящий от формы частиц;
I - энтальпия, кДж/кг;
е - коэффициент термохимической усадки, м/м;
W - влажность, %; z - координата, м,
G - массовый расход, кг/с.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008
75
