Энергосберегающая установка термохимического разложения отходов деревообрабатывающих предприятий

Таймаров Михаил Александрович; Тимербаев Наиль Фарилович; Хуснуллин Ильнур Илфатович; Шулаев Максим Вячеславович

УДК 66.092-977

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ УСТАНОВКА ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

М.А. ТАЙМАРОВ*, Н.Ф. ТИМЕРБАЕВ**, И.И. ХУСНУЛЛИН**, М.В.ШУЛАЕВ**

*Казанский национальный исследовательский технологический университет, **Казанский государственный энергетический университет

В статье затронута тема переработки отходов лесного и деревообрабатывающего комплекса с целью получения древесного угля и бионефти в установке термохимического разложения. Данная установка является простой как в техническом, так и в эксплуатационном плане, а малое потребление электроэнергии, низкие капитальные затраты, обеспечение экологической чистоты процесса производства позволяют использовать ее в условиях малых предприятий.

Ключевые слова: энергосберегающая установка, ресурсосбережение, термическое разложение, пиролиз, древесные отходы, тепловая труба, комплексная переработка отходов, лесная промышленность, деревообрабатывающая промышленность.

В лесной промышленности ежегодно заготавливается около 0,5 млрд. тонн биологической массы, из них в производство идет только 25%. Не используются хвоя, кора, сучья. В готовую продукцию превращается только 11% сырья. Основное направление ресурсосбережения в лесной промышленности — рациональное использование древесного сырья, а также расширение использования и переработки древесных отходов. Одним из направлений ресурсосбережения в лесной промышленности является пирогенетическая переработка древесных отходов в древесный уголь и вторичные продукты (смола, бионефть, горючие газы). Сырьем для переработки чаще становятся отходы хвойных пород, осина, кустарниковые. Сделать из них качественный уголь можно, если производить уголь по отработанной технологии и брикетировать [1, 2].

На кафедре «Переработки древесных материалов» разработана установка термохимического разложения, позволяющая получить древесный уголь и жидкие продукты пиролиза. Основными отличиями от традиционных установок термохимического разложения являются: малая энергоемкость, автономность технологического процесса, отсутствие вредных выбросов в окружающую среду, универсальность [3-5].

Принципиальная схема установки изображена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема установки

Работа установки осуществляется следующим образом:

Измельченные древесные отходы непрерывно загружают в зону прогрева 1, выполненную в виде шнекового транспортера с обогреваемой рубашкой. Прогрев осуществляют кондуктивно при температуре стенки 95^105°С за счет конденсации водяных паров, поступающих со стадии охлаждения по тепловой трубе 2. Из зоны прогрева 1 древесная масса с температурой порядка 60°С поступает в зону сушки 3, где древесину высушивают конвекцией топочными газами при температуре 240^250°С с прогревом материала до 180°С. Часть влажных топочных газов с температурой примерно 150°С из зоны сушки 3 отводят через абсорбер 4 в окружающую среду, другую часть смешивают до температуры 240^250°С с топочными газами с температурой 600°С из зоны пиролиза 5 и направляют обратно в зону сушки 3. В абсорбере 4 выбрасываемые в атмосферу топочные газы очищают от примесей рециркулирующим абсорбентом. Из зоны сушки 3 высушенная древесина поступает в зону пиролиза 5, где древесную массу пиролизуют в шнековом транспортере с рубашкой за счет кондуктивного подвода теплоты от поступающих из топки 7 топочных газов температурой 600^700°С в режиме противотока и самопрогрева пиролизуемой массы за счет теплоты химических реакций. Угольный остаток на выходе из зоны пиролиза 5 имеет температуру порядка 500°С. Образовавшуюся в зоне пиролиза 5 парогазовую смесь эжектируют сконденсировавшимися в конденсаторе 6 пирогазами, при этом несконденсированные пирогазы отводят в топку 7, а сконденсированные в жижку пирогазы отводят в резервуар. Хладагент пирогазов направляют в топку 7 и переводят в пар. Угольный остаток, поступающий из зоны пиролиза 5, кондуктивно охлаждают в зоне охлаждения 8, выполненной в виде шнекового транспортера с рубашкой, до 120°С испарением конденсата воды, поступающим из зоны прогрева 1 по тепловой трубе 2. Далее уголь дополнительно кондуктивно охлаждают в режиме противотока до 50°С рециркулирующим абсорбентом с температурой 35°С, поступающим из абсорбера 4 и предварительно © Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

прошедшим через нейтрализатор 9 и фильтр 10. Абсорбент с температурой ориентировочно 65 °С, отводящийся из зоны дополнительного охлаждения 11, охлаждают в теплообменнике 12 до температуры 25°С. Хладагент, использующийся для охлаждения абсорбента в теплообменнике 12, направляют в конденсатор 6 для конденсирования пирогазов, а затем в топку 7 для превращения в пар.

Охлажденный древесный уголь транспортируют на склад, образованный пар, отводящийся из топки 7, используют в технологических или бытовых целях.

Для первоначального запуска процесса и выхода на режимные параметры в топку 7 в качестве топлива подают природный газ. Также в топку 7 подают воздух для поддержания процесса горения несконденсировавшихся газов. Потери рециркулирующего абсорбента с выбрасываемыми топочными газами возмещают подачей свежего абсорбента.

Температуру воды в тепловой трубе 2 поддерживают в пределе 95^105°С, т.к. при меньшей температуре уменьшается движущая сила для прогрева древесины, а при более высокой - повышается парциальное давление пара и усложняется аппаратурное оформление способа.

В зону сушки 3 топочные газы подают с температурой в пределе 240^25 0°С с прогревом древесины до 180°С, т.к. при температуре топочных газов меньше 240°С увеличивается продолжительность сушки древесной массы, а при температуре топочных газов больше 250°С наблюдается местный прогрев древесины более 180°С и разложение.

Температуру топочных газов в зоне пиролиза 5 поддерживают в пределах 600^700°С, т.к. при температуре топочных газов меньше 600°С увеличивается длительность процесса пиролиза и увеличиваются габаритные размеры зоны пиролиза, а при температуре топочных газов больше 700°С усложняется аппаратурное оформление способа, требующее для изготовления специальные жаропрочные стали.

В зоне охлаждения 8 угольный остаток охлаждают до 120°С, т.к. при меньшей температуре увеличиваются габаритные размеры зоны охлаждения, а при более высокой температуре повышается парциальное давление пара в тепловой трубе 2 и усложняется аппаратное оформление способа.

В зоне дополнительного охлаждения 11 древесный уголь охлаждают до температуры 50°С для предотвращения самовозгорания угля.

Малая энергоемкость процесса заключается в том, что горючие газообразные и жидкие вещества в виде парогазовой смеси, образующиеся во время процесса пиролиза, используются в качестве топлива для поддержания технологического процесса, что позволяет использовать природный газ только для запуска установки. А система теплообменников установки позволяет более эффективно использовать теплоту топочных газов и теплоту пиролиза, что исключает потери тепла в окружающую среду. В итоге, после выхода на режимные параметры установка может работать без значительных затрат энергии извне.

Самым энергоемким процессом в установке является сушка древесины топочными газами. Математическое описание процесса сушки древесины топочными газами в общем виде можно записать в виде системы четырех дифференциальных уравнений, описывающих изменение по высоте камеры сушки влагосодержания и температуры топочного газа и изменение влагосодержания и температуры по сечению древесной частицы и по высоте камеры сушки. Физическая картина процесса изменения влагосодержания и температуры материала и топочных газов показана на рис. 2.

и,

Рис. 2. Схема параметров материала и топочных газов в процессе сушки

Изменение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте камеры сушки можно определить из дифференциальных уравнений материального и теплового балансов, записанных в следующем виде [6]:

dX г dh йТг

7 ■ f

В

'0

Р0(1 -в)Ц0

q f

(1)

(2)

йк сгР0г в-

Изменение влажности и температуры древесной частицы в зоне сушки при отсутствии общего градиента давления и фазовых превращений можно определить с помощью системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса [7]:

ди м дк

1

х

дТм дк

г дх1 х Г|а

дим+5я дТм

м _ ти"м

1

дх

1

д ( Г, ■ „. ——| х X——

х1 дх I дх ) смР0

(3)

(4)

Для решения системы уравнений (1)-(4) необходимо определить условия однозначности и коэффициенты данных уравнений. Начальные условия для выражений (1)-(4) запишутся, соответственно, в виде:

Хг (0) = , (5)

Т (0) = Тгк, (6)

им (х,0) = имн, (7)

Тм (х,0) = Тмн. (8) Граничные условия для выражения (3) запишутся в виде: на поверхности частицы

(

7 = Рр (Рп - Рср ) = Р0 ат

ди м

дх

+ 5 дТм

дх

\

п у

(9)

в центре частицы при условии симметрии

dx

= 0. (10)

x=0

Данная работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 г.» по теме «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала», при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Условные обозначения:

Х - влагосодержание топочного газа, кг/кг; h - высота слоя, м; j - поток вещества, кг/(м2х); f - удельная поверхность, м2/м3; р - плотность слоя, кг/м3; е -порозность слоя, м3/м3; w - скорость, м/с; B - массовый расход топлива, кг/с; L -массовый расход газа, кг/с; Т - температура, 0С; q - удельный тепловой поток, Дж/кг-с; c - удельная теплоёмкость, Дж/кг-К; U - влагосодержание материала, %; х -координата, м; Г - параметр, зависящий от формы частиц; aM - коэффициент массопроводности, м2/с; 5 - термоградиентный коэффициент, %; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м^К); p - парциальное давление, Па; в - коэффициент массоотдачи, м/с.

Summary

The article touched upon the issue of processing of wood waste and wood-processing complex with the purpose of obtaining wood coal and бионефти in the installation of a thermochemical decomposition. This setting is a simple both in technical, and in the operational plan, and low power consumption, low capital expenditure, provision of ecological cleanness of the production process allow to use it in the conditions of small enterprises.

Keywords: energy-saving installation, maintenance, thermal decomposition, pyrolysis, wood waste, heat pipe, comprehensive processing of waste, the forest industry, wood industry.

Литература

1.Тимербаев Н.Ф. Современное состояние процесса пирогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И. Хуснуллин // Вестник казанского технологического университета. 2011. №3. С. 169-173.

2.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 казанского технологического университета. 2010. №4. С. 120-130.

3.Сафин Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств / Р.Г. Сафин. - Казань: издательство КГТУ, 2000. 400 с.

4.Гордон Л.В., Скворцов С.О., Лисов В.И. Технология и оборудование лесохимических производств: учебное пособие. 5-е изд., перераб. М.: Лесная промышленность, 1988. 360 с.

5.Славянский А.К., Шарков В.И., Ливеровский А.А. и др. Химическая технология древесины: учебное пособие. М.: Гослесбумиздат, 1962. 577 с.

6. Техника и технологии термической переработки отходов деревообрабатывающей промышленности: монография / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова; Министерство образования и науки РФ, Казанский государственный технологический университет. Казань: КГТУ, 2010. 172 с.

7. Лыков А.В. Теория сушки / А.В. Лыков и др. М.: Энергия, 1968. 472 с.

Поступила в редакцию

02 декабря 2011 г.

Таймаров Михаил Александрович - д-р техн.х наук, профессор, зав. кафедрой «Котельные установки и парогенераторы» (КУПГ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).Тел.: 8 (843) 519-43-17.

Тимербаев Наиль Фарилович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Переработка древесных материалов» Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел.: 8 (843) 231-41-57. E-mail: [email protected].

Хуснуллин Ильнур Илфатович - аспирант кафедры «Переработка древесных материалов», Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел.: 8 (843) 231-41-57. E-mail: [email protected].

Шулаев Максим Вячеславович - д-р техн. наук, доцент, кафедры «Химическая кибернетика» Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ) Тел.: 8 (843) 231-40-11.

Energy-saving installation thermochemical decomposition of wastes of woodworking enterprises

Текст научной работы на тему «Энергосберегающая установка термохимического разложения отходов деревообрабатывающих предприятий»