ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИРОЛИЗНОГО ГАЗА И ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

Таймаров Михаил Александрович; Долгова Анастасия Николаевна; Садртдинов Алмаз Ринатович

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИРОЛИЗНОГО

ГАЗА И ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

М.А. Таймаров1, А.Н. Долгова1'2, А.Р. Садртдинов3

1 Казанский государственный энергетический университет,

г. Казань, Россия ^Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия 3Казанский национальный исследовательский технологический университет,

г. Казань, Россия taimarovma@yandex.ru; dolgova.an@list.ru

Резюме: В данной статье разработана конструкция установки с уменьшенным расходом топлива на получение пиролизного газа и угля из древесины. Особенностью технологии является последовательное проведение операций сушки древесины, непосредственно пиролиза и охлаждения угля в одних и тех же технологических узлах установки. При этом для процесса пиролиза используется тепло уходящих газов и отводимое тепло от охлаждаемой реторты с углем. За счет этого тепла подогревается воздух, подаваемый на горение, используется тепло для сушки древесины перед непосредственным процессом пиролиза.

Ключевые слова: энергосбережение, пиролизный газ, нагрев, уходящие газы, горение, древесный уголь.

ENERGY-SAVING INSTALLATION FOR PYROLYS GAS AND TREE COAL

M.A. Taimarov1, A.N. Dolgova1'2, A.R. Sadrtdinov3

1 Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia 2Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia 3Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia

taimarovma@yandex.ru; dolgova.an@list.ru

Abstract: In this article, the design of a plant with a reduced fuel consumption for the production ofpyrolysis gas and coal from wood has been developed. A special feature of the technology is the consistent implementation of wood drying operations, directly pyrolysis and cooling of coal in the same technological units of the plant. At the same time for the pyrolysis process, the heat of the exhaust gases and the heat drawn from the cooled retort with coal are used. Due to this heat, the air supplied to the combustion is heated, heat is used to dry the wood before the direct pyrolysis process.

Keywords: energy saving, pyrolysis gas, heating, exhaust gases, combustion, charcoal. Введение

Переработка древесины в пиролизный газ и древесный уголь является важнейшим технологическим направлениям в лесохимии [1-10]. Древесный уголь и пиролизный газ

пригодны для использования их в качестве топлива и сырья для последующей глубокой химической переработки, например для получения водорода [3]. В процессе производства пиролизного газа и угля расходуется значительное количество топлива. В настоящей работе за счет усовершенствования конструкции технологической установки утилизируется достаточно большое количество тепла, снижающее расход топлива для химикотермического разложения древесины в процессе низкотемпературного быстрого пиролиза.

Описание технологического процесса и установки

Технологическая схема пиролизной установки изображена на рис. 1.

Установка включает в себя три блока. Конструктивно все блоки являются одинаковыми. Каждый блок состоит из топки 1, неподвижной реторты 2 с внутренним съемным перфорированным цилиндрическим пеналом 3, горелки 6, рубашки 8 для воздушного охлаждения топки.

14 15 12 32 17 33 9 10 18 16 19 34

2! 22 6 26 29 11 28 20 27 23 25 24

Рис. 1. Технологическая схема пиролизной установки: 1- топка, 2 - реторта, 3 - перфорированный цилиндрический пенал, 4 - топливо на стадии горения , 5 - загрузка топлива, 6 - горелки, 7 - дутьевой вентилятор, 8 - рубашка охлаждения топки, 9 - дымовая труба,

10 -дымосос, 11 - топливо на стадии сушки, 12 - загрузка древесины для пиролиза, 13 - древесина на стадии пиролиза, 14 - герметичный люк для загрузки топлива, 15 - герметичный люк для загрузки цилиндрического пенала с древесным сырьем и выгрузки егос углем, 16 - газоход для движения продуктов сгорания топлива, 17 - шибера для открытия и закрытия прямого отсоса дымососом газообразных продуктов сгорания, 18 - древесное сырье на стадии сушки, 19 - древесный уголь на стадии охлаждения, 20 - воздуховод для движения нагреваемого воздуха, 21 - трубопроводы для отсоса пиролизного газа из реторты, 22 - компрессор для сжатия пиролизного газа, 23 - ресивер для хранения пиролизного газа, 24 - труба подачи пиролизного газа к внешним потребителям, 25 - запорный вентиль на трубе подачи пиролизного газа потребителям,

26 - трубопроводы подачи пиролизного газа в горелки, 27 - удаление золы, 28 - шибера для подачи воздуха на горение, 29 - запорные вентили на трубопроводах подачи пиролизного газа в горелки, 30 - запорные вентили на трубопроводах для отсоса пиролизного газа из реторт, 31 - газоанализатор для анализа состава пиролизного газа, 32 - газоанализатор для анализа состава продуктов сгорания топлива, 33 - шибера для открытия и закрытия подачи продуктов сгорания для сушки древесины, 34 - шибера для подачи воздуха в охлаждающую рубашку

Сплошными утолщенными линиями обозначены технологические связи между блоками, дымососом 10 и дымовой трубой 9 по газоходу 16 для движения продуктов сгорания топлива. Штриховыми утолщенными пунктирными линиями обозначены технологические связи между блоками по воздуховоду 20 с горелками 6 и с дутьевым вентилятором 7. Штриховыми пунктирными тонкими линиями обозначены технологические связи между блоками с ретортами 2, с компрессором 22, с ресивером 23 для хранения пиролизного газа и с горелками 6.

Шибера 17 на газоходе 16 необходимы для движения продуктов сгорания топлива, шибера 28 и 34 на воздуховоде 20 - для движения нагреваемого воздуха, запорные вентили 29 установлены на трубопроводах подачи 26 пиролизного газа к горелкам 6, запорные вентили 30 на трубопроводах 21 для отсоса компрессором 22 пиролизного газа из реторт 2 служат для технологических последовательных переключений всех трех блоков в следующих режимах работы:

1) сжигание древесного топлива и термохимического разложения древесины,

2) сушка древесного сырья,

3) охлаждение древесного угля.

В разработанной конструкции выделение трех блоков, в которых последовательно проходят все три технологические стадии процесса пиролиза позволяет проводить пиролиз в оптимальном режиме с экономией топлива при производстве древесного угля и получать пиролизный газ в достаточном количестве по сравнению с известными пиролизными установками [5, 7, 8]. Оптимальная по времени продолжительность работы каждого из блоков определяется на основе начала и окончания выделения пиролизного газа с помощью газоанализаторов 31, по значениям показаний которых осуществляется закрытие шибера 28 на подачу воздуха на горение топлива и открытие шибера 34 для подачи воздуха в охлаждающую рубашку для нагрева воздуха. Поддержание стехиометрического соотношения количества горящего древесного топлива 4 и воздуха, подаваемого дутьевым вентилятором 7, регулируется степенью открытия шиберов непосредственно перед горелками по составу продуктов сгорания, определяемого газоанализаторами 32 со встроенными датчиками температуры и разрежения (на рис. 1 датчики не показаны).

Цилиндрическая стальная топка 1 предназначена для сжигания древесного топлива 4 и получения теплоты, подводимой к реторте 2 для термохимического разложения находящейся в ней древесины 13. Топка 1 имеет вверху герметичный люк 14 для загрузки древесного топлива и внизу герметичный затвор (на рис. 1 позицией не показан) для удаления золы 27. Для интенсификации процесса пиролиза за счет быстрого набора температуры ретортой в нижней части топки 1 расположена горелка 6 с электрическим запальником, имеющая туннель, который предназначен для обеспечения устойчивого горения топливного газа. В качестве топливного газа при первоначальном пуске используется баллонный сжиженный газ, а при последующих пусках используется пиролизный газ, подаваемый из ресивера 23 путем открытия вентиля 29. Линия подачи баллонного сжиженного газа к горелкам 6 на рис. 1 условно не показана.

Сжигание с помощью горелки 6 топливного газа при пуске, а в рабочем режиме сжигание пиролизного газа, позволяет получать теплоту непосредственно в контакте с ретортой 2. Такой способ подвода теплоты реализует принцип термического удара, при котором теплота путем излучения подводится за очень короткий промежуток времени при незначительном диаметре реторты. Количество подаваемого топливного газа в горелки 6 регулируется по температуре и составу продуктов сгорания с помощью газоанализатора 32 и с помощью вентилей 29 и шиберов подачи воздуха.

Снаружи топки 1 концентрично расположена рубашка 8 для воздушного охлаждения топки в режиме охлаждения реторты 4 с перфорированным цилиндрическим пеналом 3, в котором находится полученный при пиролизе уголь 19. При установившемся режиме работы блока в стадии пиролиза древесины воздух, подаваемый в горелку 4 в процессе

сжигания древесного топлива 4, подогревается за счет теплоты, отбираемой при охлаждении реторты 2 с находящимся в ней пеналом 3 с углем 19.

При этом на стадию термохимического разложения древесины 13 , по сравнению с известными технологиями [8, 11], расходуется меньше теплоты и достигается экономия топлива. В известных технологиях воздух, используемый на горение топлива, не подогревается и для получения угля расходуется больше топлива. В верхней части топки присоединено ответвление газохода 16 с газоанализатором 32 отдельным для каждого блока. После ответвления продукты сгорания топлива при открытии соответствующих шиберов могут двигаться за счет тяги создаваемой дымососом 10 по одному из двух направлений: непосредственно в дымовую трубу 9 или же в следующую топку для сушки древесного топлива 11 и древесного сырья 18.

Для осуществления процесса сушки в нижней части топки присоединено ответвление газохода, через которое путем открытия шибера 33, производится подача продуктов сгорания. Цилиндрическая стальная реторта 2 является несъемной и служит для размещения в ней съемного перфорированного цилиндрического пенала 3 с древесным исходным сырьем 13, превращаемым в процессе пиролиза в древесный уголь.

Реторта 2 в верхней части имеет герметичный люк 15, через который происходит загрузка 12 древесины для пиролиза с помощью пенала 3. В нижней части реторта имеет трубопровод 21 для отсоса пиролизного газа компрессором 22 в ресивер 23. В трубопроводе 21 для отсоса пиролизного газа располагается газоанализатор 31 со встроенными датчиками для измерения температуры, расхода и давления пиролизного газа.

Показания газоанализатора позволяют с высокой точностью определить время начала и конца термохимического разложения древесины и подводить теплоту в соответствии с продолжительностью стадии выделения пиролизного газа в строго необходимом количестве. Компрессор 22 служит для сжатия пиролизного газа и нагнетания его под давлением в ресивер промежуточного хранения 23. Компрессор 22 имеет на входе и на выходе охладители пиролизного газа и соответствующую запорную арматуру. При не работающем компрессоре 22 и установившемся режиме пиролиза в реторте 2 имеется незначительное давление.

Из ресивера 23 пиролизный газ подается по трубопроводам 26 через вентили 29 в горелки 6 для сжигания в топке, а также внешним потребителям через трубу 24 и вентиль 25. Управление шиберами, запорными вентилями, дымососом, дутьевым вентилятором, компрессором, горелками, задвижками удалении золы, загрузкой древесного топлива и древесного сырья и датчиками давления и температуры пиролизного газа в ресивере 23 дистанционное по электрической связи с пульта управления по сигналам с газоанализаторов 31 и 32.

Дымосос 10 имеет в своем составе очистное устройство для улавливания вредных выбросов и предназначен для отсоса продуктов сгорания топлива из топки 1 и создания уравновешенной тяги с работающим вентилятором 7. При работающем дымососе 10 и дутьевом вентиляторе 7 при установившемся режиме стадии пиролиза в топке создается незначительное разрежение. Первоначально при первом пуске в топки 1 и реторты 2 всех трех блоков загружается соответственно древесное топливо 5 и древесина для пиролиза в пеналах 3. Включается дымосос 10 и дутьевой вентилятор 7 в режиме уравновешенной тяги для первого блока и подается топливный газ от внешнего источника в горелку 6, с помощью которой производится его воспламенение в топке 1 .

За счет подаваемого воздуха от дутьевого вентилятора 7 при открытых для первого блока шиберах 28 и теплоты, выделяемой при горении топливного газа и происходит воспламенение древесного топлива 4. При розжиге топки первого блока шибера 17 прямого отсоса на двух других блоках закрыты, так как горения в них не происходит. В эти два блока в этот период на начальном этапе также не подается воздух.

Продукты сгорания древесного топлива на начальном этапе розжига топки первого блока отсасываются через очистное устройство дымососом 10 и выбрасываются через дымовую трубу 9 в атмосферу. После начала активного горения древесного топлива 4 и прогрева газохода 16, дымососа 10 и дымовой трубы 9 прямой выброс продуктов сгорания от первого блока в атмосферу прекращается путем открытия шибера 33 и шибера 17 на втором блоке. При этом происходит сушка древесного топлива 11 и древесного сырья 18.

За счет высокой интенсивности повода теплоты излучением, обусловленной сжиганием топливного газа в первом блоке осуществляется процесс быстрого низкотемпературного термохимического разложения древесного сырья 13. По сравнению с известными технологиями [8, 11], время нагрева древесного сырья 13 до начала термохимического разложения древесины в данной технологии сокращается за счет явления термического удара, при котором продукты горения топливного газа с температурой 700°С разогревают металлическую стенку реторты 2 до температуры около 650°С.

При этом экономится древесное топливо. Топливный газ подается в количестве необходимом лишь для обеспечения повышенного уровня температуры в топке по величине электрического сигнала от газоанализатора 32, который наряду с составом продуктов сгорания измеряет их температуру на выходе из топки 1 .

С наступлением непосредственно стадии пиролиза с выделением пиролизного газа давление в реторте 2 первого блока повышается и по сигналу с газоанализатора по линии электрической связи открывается вентиль 30 и включается компрессор 22 для нагнетания пиролизного газа в ресивер 23. Процесс превращения древесного сырья 13 в уголь в первом блоке считается законченным при сигнале с газоанализатора 31 о снижении давления в реторте 2 и данных о количестве выходящего пиролизного газа.

Первый блок переводится в стадию охлаждения путем открытия на первом блоке шиберов 34 для подачи воздуха в охлаждающую рубашку 8. Шибера 17 на газоходе 16 при режиме стадии охлаждения используются для регулирования скорости охлаждения реторты 2.

Второй блок из стадии сушки древесного топлива 11 и сырья 18 переводится в стадию непосредственного пиролиза путем открытия на втором блоке шибера 33 для удаления продуктов сгорания и шибера 28 подачи воздуха в горелку.

Производится розжиг топки 1 второго блока путем подачи пиролизного газа из ресивера 23 для воспламенения древесного топлива. Подаваемый во второй блок нагретый воздух поступает с высокой температурой до 100...120°С из охлаждающей рубашки первого блока.

Третий блок одновременно переводится в режим сушки путем подачи продуктов сгорания из второго блока в топку третьего блока. Из первого блока после охлаждения до температуры корпуса около 40...45°С удаляется зола 27, извлекается пенал 3 с древесным углем 19 и через люки 14 и 15 производится загрузка новой порции древесного топлива 5 и древесины для пиролиза 12. По окончанию стадии пиролиза во втором блоке он переводится в режим охлаждения, третий блок переводится в стадию непосредственно пиролиза, а первый блок переводится в стадию сушки. В заявляемой технологии все три стадии во трех блоках являются циклически регулируемыми по температурному уровню и длительности процесса.

Процесс термохимического разложения древесины является управляемым как по составу пиролизного газа, образующегося на выходе из реторты, так и по составу продуктов сгорания, образующихся на выходе из топки, что позволяет получать более качественный древесный уголь без пережога или недожога при оптимальном расходе количества древесного топлива. За счет оптимизации процесса горения топлива, термохимического разложения древесины и экономии топлива образуется избыточное количество пиролизного газа, которое может отпускаться из ресивера 23 внешним потребителям для глубокой химической переработки.

Результаты исследования и их обсуждение

При быстром пиролизе древесины происходит термическая деструкция исходного вещества без доступа кислорода. В заявляемой технологии древесина не контактирует с воздухом и не происходит вторичное гигроскопическое ее насыщение водяными парами.

В исследовании рассматривалась полусухая древесина с влажностью 35% из

смешанных древесных пород с теплотой сгорания Ор = 8060 кДж/кг.

При быстром пиролизе происходит разрушение древесины на молекулярном уровне и исходное вещество мгновенно делится на две фазы: твердую (уголь) и газовую (пиролизный газ). Эксперименты одноблочной установки [1] показали, что жидкая фаза при низкотемпературном быстром пиролизе для диаметра реторты не более 0,15 м отсутствует.

Это связано с тем, что тепло внутри реторты передается излучением, а при больших диаметрах происходит поглощение излучения в центральных областях. По зарубежным данным абляционный метод пиролиза древесины, основанный на прогреве с большой скоростью тонкого слоя размельченной древесины, позволял получать синтетический пиролизный газ в количестве до 90% от количества исходного вещества.

В состав этого газа входят смесь метана и высших углеводородов, водород, кислород, азот, небольшое количество оксида углерода при полном отсутствии воды и при средней теплоте сгорания 45 МДж/м3. Выход угля при низкотемпературном быстром пиролизе составляет в среднем 10-20% от количества исходного вещества при средней теплоте сгорания 35-45 МДж/кг.

Поэтому для низкотемпературного быстрого пиролиза для получения высококачественного синтетического пиролизного газа и угля необходимы очень небольшие диаметры реторт. Под низким качеством понимается наличие воды в составе пиролизного газа и закоксованный твердый древесный уголь с низкой теплотой сгорания.

Закоксованность угля получается вследствие недостаточного прогрева при низкотемпературном пиролизе центра реторты за счет излучения при большом диаметре реторты.

При этом образуются промежуточные эвтектические соединения полуразложившейся древесины с вкраплениями углерода. Такие образцы угля характерны для промышленных крупнотоннажных углевыжигательных установок. Образцы не крошатся и имеют определенную твердость.

Технологический тепловой баланс установки (рис. 1) приведен в табл. 1. Баланс составлен по удельному расходу тепла на 1 кг древесины, подвергаемой пиролизу.

Таблица 1

Тепловой баланс установки при работе по технологической схеме_

Приход Расход

Показатель Значение, кДж/кг Показатель Значение, кДж/кг

1 2 3 4

Блок пиролиза

Тепло от сгорания топлива 7396 Тепло на пиролиз древесины 5062

Тепло подогретого воздуха 400 Тепло с уходящими газами 1500

- - Тепло с нагретым углем и ретортой 500

- - Тепло с пиролизными газами 216

- - Потери от наружного охлаждения 518

Итого: 7796 Итого: 7796

Блок сушки

Тепло с уходящими газами 1500 Сушка древесины 705

- - Выброс в атмосферу 370

Продолжение табл. 1.

1 2 3 4

- - Нагрев реторты 300

- - Потери от наружного охлаждения 125

Итого: 1500 Итого: 1500

Блок охлаждения

Тепло с нагретым углем и ретортой 500 Тепло на нагрев воздуха 400

- - Потери от наружного охлаждения и с золой 100

Итого: 500 Итого: 500

Как видно из табл. 1, потери тепла с выбросами продуктов сгорания в атмосферу составляют 5%, а потери тепла от наружного охлаждения 10%. Экономия топлива за счет подогрева воздуха составляет 5,4%, а за счет использования тепла уходящих газов для сушки древесины 9,5%.

При использовании специальных теплоизолирующих материалов для тепловой изоляции потери тепла от наружного охлаждения могут быть существенно снижены.

Выводы

1. При низкотемпературном быстром пиролизе древесины для получения качественного пиролизного газа и угля необходим малый диаметр реторты.

2. Исполнение пиролизноцй установки в виде трех блоков с использованием теплоты уходящих продуктов сгорания и теплоты охлаждаемой реторты позволяет экономить 14,9% топлива.

Литература

1. Басков В.Н., Панцхава Е.С. Моторные биотоплива: состояние и перспективы развития технологии в мире и в России // Теплоэнергетика. 2013. № 4. С. 43-47.

2. Султангузин И.А., Замерград В.Э., Карасевич В.А., Албул А.В., Федюхин А.В. Оптимизация использования природного газа и возобновляемых источников энергии в энергетических компаниях // Наука и техника в газовой промышленности. 2013. №1. С. 63-76.

3. Ahrenfeldt J., Thomsen T. P., Henriksen U., Clausen L.R. Biomass gasification cogeneration. A review of state of the art technology and near future perspectives // Applied Thermal Engineering. 2013. №50. P. 1407-1417.

4. Basu P. Biomass gasification and pyrolysis. Practical design and theory. 2010. Elsevier. 352 р.

5. Buljit B., Pinakeswar M., Vijayand S.M. Thermodynamic optimization of biomass gasification for decentralized power generation and Fischere-Tropsch synthesis // Energy. 2010. №35. P. 2557-2579.

6. François J., Abdelouahed L., Mauviel G., Feidt M., Rogaume C., Mirgaux O., Patisson F., Dufour A. Estimation of the energy efficiency of a wood gasification CHP plant using Aspen Plus // Chemical engineering transactions. 2012. №29. P. 769-774.

7. Idris S.S., Rahman N.A., Ismail K., Alias A.B., Rashid Z.A., Aris M.J. Investigation on thermochemical behavior of low rank Malaysian coal, oil palm biomass and their blends during pyrolysis via thermogravimetric analysis (TGA) // Bioresource Technology. 2010. 101. P. 4584-4592.

8. Ramzan N., Ashraf A., Naveed S., Malik A. Simulation of hybrid biomass gasification using Aspen plus: A comparative performance analysis for food, municipal solid and poultry waste // Biomass and Bioenergy. 2011. № 35. P. 3962-3969.

9. Rui Lou, Shu Bin Wu. Products properties from fast pyrolysis of enzymatic/mild acidolysis lignin // Applied Energy. 2011. № 88. P. 316-322.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10. Shen Y., Yoshikawa K. Recent progresses in catalytic tar elimination during biomass gasification or pyrolysis // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013. № 21. P. 371-392.

11. Uisung L., Elango B., Chung J.N. An experimental evaluation of an integrated biomass gasification and power generation system for distributed power applications // Applied Energy. 2013. №101. P. 699-708.

Авторы публикации

Таймаров Михаил Александрович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий» (ЭЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Email: taimarovma@yandex.ru.

Долгова Анастасия Николаевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте» (ТЖТ) Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС); доцент кафедры «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий» (ЭЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Email: dolgova.an@list.ru.

Садртдинов Алмаз Ринатович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Переработки древесных материалов» (ПДМ) Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ).

Referens

1. Baskov V. N., Pantskhava, E. S. biofuels: status and prospects of development of the technology in the world and in Russia // Thermal Engineering. 2013. No. 4, pp. 43-47. (in Russian)

2. Sultangazin I. A., Zamergrad E. V., Karasevich V. A., Albul A.V. Fedyuhin A.V. Optimization of use of natural gas and renewable energy sources in the energy companies // Science and technics in the gas industry. 2013. No. 1. pp. 63-76. (in Russian)