CC BY
255
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ
С.А. ЗАБЕЛКИН, асп. каф. химической технологии древесины Казанского ГТУ,
Д.В. ТУНЦЕВ, асп. каф. переработка древесных материалов Казанского ГТУ,
A. Н. ГРАЧЕВ, доц. каф. переработки древесных материалов Казанского ГТУ, канд. техн. наук,
B. Н. БАШКИРОВ, проф. каф. химической технологии древесины Казанского ГТУ, д-р техн. наук
szabelkin@gmail.com; tuncev-den@mail.ru; energolesprom@gmail.com; vlad_bashkirov@mail.ru
Сокращение запасов и нестабильность цен на ископаемые виды топлива, которые являются также ценным сырьем для химического синтеза, делают все более актуальной тему использования возобновляемых ресурсов. При этом в США и Европе в ближайшее время планируется довести долю биотоплива до 20 % от общего энергопотребления. Рост рынка составит около 50 % в год.
Недостаточное развитие высокотехнологичных производств по глубокой переработке низкокачественного древесного сырья приводит к тому, что спрос на низкокачественную древесину практически отсутствует.
Вместе с тем, ежегодное количество только отходов деревообрабатывающих предприятий России составляет более 70 млн м3. Кроме того, постоянное недоиспользование расчетной лесосеки приводит к накоплению невостребованной низкокачественной древесины, а низкая эффективность лесозаготовок не позволяет обеспечить комплексное использование древесной биомассы, значительная часть которой остается в лесу, ухудшая экологическую обстановку, способствуя деградации лесных насаждений, повышая пожарную опасность.
Энергетическое использование нереализованного потенциала древесной биомассы уже сейчас позволяет заменить более 10 %
внутреннего энергопотребления без нарушения баланса экосистемы. Однако прямое использование низкокачественной древесины в энергетических целях сдерживается рядом факторов, обусловленных, прежде всего, свойствами биомассы (нестабильная влажность и размеры, низкая энергетическая плотность), что приводит к низкой эффективности транспортировки топливной биомассы, необходимости сбора и концентрации данного ресурса и низкой технологичности сжигания биомассы.
Данные обстоятельства в большинстве случаев снижают экономическую эффективность энергетического использования биомассы, за исключением локального использования. Одним из решений данной проблемы является получение из древесной биомассы жидкого топлива методом пиролиза. Максимальный выход жидких продуктов наблюдается при использовании технологии быстрого пиролиза (таблица).
Процесс быстрого пиролиза заключается в термическом разложении органических соединений биомассы в отсутствии окислителя, при относительно низких температурах 450-550 °С, высокой скорости нагрева 500-1000 °С/сек. и незначительном времени пребывания продуктов в реакционном пространстве (до 2-3 с) [1].
Таблица
Методы термохимической переработки биомассы
Технология Выход полезных продуктов (% сух. мас.)
жидкость уголь газ
Быстрый пиролиз: - температура 450-600°С - время процесса <2 с 75 12 13
Медленный пиролиз: - температура 500-700°С - время процесса 5-30 мин 30 30 40
Газификация: - температура >800°С 5 10 85
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
79
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
При быстром пиролизе из 100 кг древесины получается до 75 кг пиролизной жидкости и 10-15 кг древесного угля. Образующиеся газ и уголь могут использоваться для энергообеспечения процесса пиролиза и сушки древесины. Кроме того, уголь после соответствующей обработки может быть реализован как побочный коммерческий продукт.
Основными преимуществами жидких продуктов быстрого пиролиза биомассы при энергетическом использовании по сравнению с исходной биомассой являются их более высокая энергетическая плотность, меньшие транспортные затраты, повышение технологичности энергетического использования, возможность прямого сжигания в турбинах и тихоходных дизельных двигателях с генерацией электроэнергии, а также получение коммерческих продуктов для химического синтеза.
Для реализации описанной технологии была разработана экспериментальная установка быстрого пиролиза биомассы древесины [2], схема которой представлена на рис. 1. Сырье в виде древесных частиц размером до 50 мм подается в бункер 1, откуда оно через питатель 4 поступает в реактор 5. В реакторе происходит процесс быстрого абляционного пиролиза сырья с образованием парогазовой смеси и угля. Отделение частиц угля осуществляется в циклоне 9. Выходящая из циклона парогазовая смесь подвергается конденсации в состоящем из распылительной 10 и насадочной 11 колонн конденсаторе. Жидкие продукты собираются в приемной ванне 12. Неконденсируемые газы, после отвода избыточной части компрессором 16 на генератор 20 для получения электрической энергии, подаются с помощью газодувки 18 в реактор 5 для обеспечения конвективного тока и создания избыточного давления в систе-
80
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
ме. Обеспечение процесса тепловой энергией осуществляется с помощью топки 6, работающей на любом виде твердого топлива, в частности на тех же отходах деревообрабатывающих предприятий. Топочные газы, прогревая реактор 5 через стенку рубашки, поступают в бункер 1 для сушки сырья.
В результате переработки сосновой щепы по описанной выше технологии на данной установке была получена партия продуктов быстрого абляционнного пиролиза в идее горючего газа, мелкодисперсного древесного угля и гомогенной жидкости - так называемой бионефти.
Для оценки возможности энергетического использования были проведены исследования физико-химических свойств бионефти.
В результате химического анализа полученной жидкости было идентифицировано более 300 веществ, которые после суммирования по соответствующим группам соединений могут быть представлены в виде следующего процентного состава по массе: органические кислоты - 1,9-26,4 %; сложные эфиры - 0,5-3,2 %; спирты - 1,7-5,8 %; кетоны - 4,2-6,2 %; альдегиды - 2,3-18,3 %; фенолы - 2,8-12,6 %; гваяколы - 2,2-15,1 %; сиринголы - 14,-8,9 %; сахара - 5,4-13,4 %; фураны - 1,4-11,2 %; алкены - 0,7 % [3].
Существенным недостатком бионефти как топлива является высокое содержание низших органических кислот. Замеры показателя активности ионов водорода (pH) пиролизной жидкости, который при температуре исследуемой жидкости 18,4 °С составил 2,43, свидетельствует о высокой кислотности среды и возможности коррозии металлических элементов используемого оборудования.
Следующим из наиболее важных физических свойств бионефти является вязкость. Определение вязкости проводилось в диапазоне температур от 18 до 100°С. В результате проведенных экспериментов была получена зависимость коэффициента вязкости от температуры в виде функции (1), графический вид которой представлен на рис. 2.
1
V =--------------------
-1,5876 + 0,685 • ln(T) где V - кинематическая вязкость,
T - температура, °С.
, (1) Ст;
Рис. 2. Зависимость коэффициента кинематической вязкости бионефти от температуры
Данная зависимость показывает, что при повышении температуры в исследуемом диапазоне коэффициент кинематической вязкости снижается почти в 5 раз. Расхождения рассчитанных по уравнению (1) значений с экспериментальными составляют не более 10 %.
Важной характеристикой является также давление смеси паров исследуемой жидкости в состоянии равновесия при различных температурах.
Давление смеси насыщенных паров бионефти дает характеристику по содержанию и составу низкокипящих фракций бионефти. По величине давления смеси насыщенных паров бионефти можно судить о пусковых свойствах исследуемого вещества, о склонности его к образованию паровых пробок в топливной системе двигателя, о возможных потерях бионефти при транспортировании и хранении.
Обработкой результатов экспериментальных исследований давления смеси насыщенных паров бионефти была получена зависимость давления смеси паров от температуры, которая может быть представлена в виде эмпирического уравнения
P = 1065,144-exp(T / 21,295), (2)
где Р - давление смеси насыщенных паров пиролизной жидкости, Па;
Т - температура, °С.
Расхождение рассчитанных по уравнению (2) значений с экспериментальными составляет не более 9 %.
С целью подтверждения возможности энергетического использования бионефти были проведены исследования по ее сжиганию в горелках испарительного и распылительного типа.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
81
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Рис. 3. Зависимость давления паров бионефти в состоянии равновесия от температуры
Исследования процесса сжигания бионефти в испарительной горелке были осуществлены на котле для утилизации отработанного масла мощностью 80 кВт фирмы ООО «Энергетика», г. Казань по следующей методике. Очищенная фильтрованием от твердых частиц бионефть подавалась в топочную камеру, предварительно прогретую в результате сжигания отработанного масла. Выделяемая при сгорании бионефти энергия использовалась для нагревания теплового агента - воздуха. В ходе экспериментов наблюдалось постепенное снижение температуры нагреваемого воздуха от 70 °С при сжигании масла, до 28-30 °С при сжигании бионефти. Результаты исследований показали, что при использовании испарительных горелок на раскаленной поверхности происходят реакции вторичного пиролиза бионефти с образованием пека высококипящих смол, что приводит к ее шлакованию на испарительной поверхности вплоть до остановки котла.
Для исследования энергетического использования бионефти в распылительной горелке была разработана установка, схема которой представлена на рис. 4. Сжигание пиролизной жидкости осуществляется на универсальной горелке фирмы KG/UB 55 фирмы «Kroll GmbH» мощностью 55 кВт. Забор топлива осуществляется из бака запаса топлива 2, снабженного заборной трубкой с поплавком 3, с помощью топливного насоса 1. Затем топливо подается в бак нагрева 7, имеющий нагревательный элемент 4, термостат 5 и предохранитель перелива топлива 6. Из бака нагрева топливо поступает в сопло-
вую трубу 11, где смешивается с воздухом, подаваемым компрессором 8. Смесь топлива и воздуха проходит через рассекатель 12 и распыляется в камере сгорания 16. Камера сгорания снабжена муфелем 13 для поддержания высокой температуры и обеспечения стабильности горения. Температурное поле в факеле 15 снимается с помощью термопар 14. Блок анализа продуктов сгорания пиролизной жидкости состоит из барботажного устройства 17, где происходит отделение твердых частиц, сепаратора 18, осушающего топочные газы, датчика кислорода 19, ротаметра 21 и компрессора 21. Предусмотрена возможность анализа твердых частиц, осаждаемых в барботажном устройстве, и газообразных продуктов на выходе из блока анализа.
Исследования сжигания бионефти в распылительной горелке показали следующее. Расход топлива составил 3,6-5,4 кг/ч при мощности 18-27 кВт. В ходе исследований наблюдалось стабильное горение фильтрованного топлива при давлении первичного воздуха 0,2 МПа и его нагреве до 50-80 °С. Однако длительный нагрев бионефти свыше 80 °С ведет к интенсивному испарению летучих веществ, увеличению вязкости бионефти, ухудшению условий воспламенения, распыливания и горения вплоть до их невозможности.
Также необходимо отметить, что инициирование процесса горения в данных горелках штатным электрическим розжигом проблематично. Для обеспечения надежного инициирования горения необходимо либо увеличение мощности электрического розжига, либо использование розжига на традиционном топливе, либо использование другого инициатора горения, например газовой подсветки.
Для устойчивой работы распылительной горелки необходимо обеспечение стабильного режима распыливания топлива. С целью оценки влияния режимных параметров распыливания бионефти была использована эмпирическая зависимость (3), определяющая объемно-поверхностный диаметр капли жидкости, от давления распыливания
[4].
82
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Рис. 4. Схема установки для исследования энергетического использования бионефти в распылительной горелке
Рис. 5. Зависимость объемно-поверхностного диаметра от перепада давления при различных температурах: кривые 1-3 - бионефть: 1 - 20 °С, 2 - 40 °С, 3 - 60 °С; кривая 4 - летнее дизельное топливо при 20 °С
d32 = 599,2-FN'0,393-AP'°,418-v°,215-a0,277, (3) где d32 - объемно-поверхностный (за-утеровский) средний диаметр капли распыла, мкм; FN - конструктивный показатель форсунки, FN = 5,51-10-8 м2;
ДР - разность давлений в сопле и камере распыливания, Па;
v - кинематическая вязкость распыли-ваемой жидкости, м2/с;
a - поверхностное натяжение распы-ливаемой жидкости, Н/м.
В результате проведенного моделирования были получены зависимости среднего диаметра капли от перепада давления при
различных значениях температуры для бионефти (кривые 1-3) и для летнего дизельного топлива (кривая 4), которые в графическом виде представлены на рис. 5.
Как показали проведенные исследования, увеличение давления целесообразно лишь до 3 МПа. Дальнейшее повышение приводит к незначительному уменьшению капли, но существенно увеличивает энергетические затраты на обеспечение высокого давления, необходимого для распыливания. Необходимо отметить также, что увеличение температуры снижает диаметр капли сильнее, чем повышение давления, поэтому предварительный подогрев капли позволит сократить затраты на обеспечение высокого давления.
Анализ проведенных исследований позволяет сделать вывод о возможности энергетического использования бионефти путем ее сжигания в горелках распылительного типа при вышеперечисленных условиях. Однако для повышения эффективности энергетического использования бионефти и стабильной работы существующей теплотехнической аппаратуры необходимы более глубокие исследования процессов горения и свойств бионефти.
Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- использование горелок испарительного типа при сжигании бионефти неэффективно;
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2010
83
