CC BY
10
© Казаков В.Г., Громова Е.Н., Алешина А.С. УДК 66.046.8
ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
Казаков1 В.Г., Громова1 Е.Н., Алешина2 А.С.
1 Санкт-Петербургский государственный университет промышленных
технологий и дизайна
2 Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого
Резюме: ЦЕЛЬ. Целью исследования являлась разработка энерготехнологического комплекса на основе сверхкритического водного окисления (СКВО), имеющего высокую производительность по целлюлозе при исключении потребления затрат энергии от внешнего источника в установке, работающей в стационарном режиме. МЕТОДЫ. В основу разработки энерготехнологического комплекса положены результаты исследований поведения воды при сверхкритических параметрах. Время реакции окисления при таких параметрах среды на два-три порядка меньше, чем в известных способах получения целлюлозы. При сверхкритических параметрах имеет место многостадийный процесс газификации, состоящий из выщелачивания сахарозы (гемицеллюлозы и лигнина) в раствор, а затем газификации этих компонентов без химического воздействия на целлюлозу. РЕЗУЛЬТАТЫ. В условиях СКВО возможно организовать проведение технологического процесса без «зависания» технологической щепы как это бывает в варочном котле. При хорошем перемешивании технологической щепы, воды и окислителя можно устранить непровар целлюлозы, а также получить а-целлюлозу с низким содержанием примесей. Предложенное энерготехнологический комплекс позволяет существенно повысить эксергетический КПД в сравнении с классическим методом переработки от 48 до 80 % в отсутствии таких технологических переделов, как варка древесной технологической щепы, выпаривание, СРК, печи карбонизации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В результате обработки технологической щепы в кипящем слое при суб-и сверхкритических параметрах без применения химикатов с дополнительной классификацией волокнистых материалов в кипящем слое и очисткой от химических примесей а-целлюлозы качество продукции повышается, а удельные энергетические и капитальные затраты снижаются. Кроме того, значительно сокращается время варки.
Ключевые слова: газификация; сверхкритическое водное окисление; сверхкритические флюиды; древесина; целлюлоза; переработка древесины
Для цитирования: Казаков В.Г., Громова Е.Н., Алешина А.С. Энерготехнологический комплекс для глубокой переработки древесины // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 48-58.
ENERGY TECHNOLOGY COMPLEX FOR DEEP PROCESSING OF WOOD VG. Kazakov1, EN. Gromova1, AS. Alyoshina2
1 St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design 2 Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
Abstract: THE PURPOSE. The aim of the study was to develop an energy technology complex based on supercritical water oxidation, which has high cellulose productivity while excluding energy consumption from an external source in a stationary installation. METHODS. The development of the energy technology complex is based on the results of studies of the behavior of water at supercritical parameters. The oxidation reaction time at such medium parameters is two to three orders of magnitude less than in known methods for producing cellulose. Under conditions of supercritical aqueous oxidation, a multi-stage gasification process takes place, consisting of leaching sucrose (hemicellulose and lignin) into a solution, and then gasification of these components without chemical exposure to cellulose. RESULTS. In conditions of supercritical
water oxidation, it is possible to organize the technological process without "hanging" of technological chips, as it happens in a digester. With good mixing of technological chips, water and oxidizer, it is possible to eliminate the non-vapor of cellulose, and also to obtain a-cellulose with a low content of impurities. The proposed energy technology complex allows to significantly increase the exergetic efficiency in comparison with the classical method ofprocessing from 48 to 80% in the absence of such technological alterations as cooking of wood chips, evaporation, IBS, carbonization furnaces. conclusion. CONCLUSION. As a result of processing technological chips in the fluidized bed at sub- and supercritical parameters without the use of chemicals with additional classification of fibrous materials in the fluidized bed and purification from chemical impurities of a-cellulose, product quality increases, and specific energy and capital costs decrease. In addition, the cooking time is significantly reduced.
Keywords: gasification; supercritical water oxidation; supercritical fluids; wood, cellulose; wood processing.
For citation: Kazakov VG, Gromova EN, Alyoshina AS. Energy technology complex for deep processing of wood. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):48-58.
Введение и литературный обзор.
Вещества, находящиеся в сверхкритическом состоянии, называют флюидами. Физические и химические свойства флюидов кардинально отличаются от свойств жидкости или газа того же состава.
Вода - это самый распространенный и экологически чистый растворитель на Земле. Известно, что вода переходит в сверхкритическое или флюидное состояние при температуре более 374 °С и давлении свыше 225 атм. Вода в сверхкритическом состоянии способна растворять неполярные химические соединения и при этом не растворяет многие неорганические соли. При суб- и сверхкритических давлениях вода может неограниченно смешиваться как с органическими соединениями, так и с кислородом. Способность сверхкритической воды растворять органические вещества и кислород и существенно изменять свою плотность и активность при изменении давления и температуры, не разрушая однородности, обеспечивает ее высокую технологическую эффективность для частичного окисления сложных органических и сепарации неорганических веществ [1-4].
В процессе сверхкритического водного окисления (СКВО) органические и неорганические соединения превращаются в более простые и экологически безвредные вещества. Сложные органические соединения разлагаются на водород, оксид углерода, метан, бензол, толуол и другие ценные продукты. Содержащиеся в органических веществах хлор, фтор, фосфор и сера образуют осадок и выделяются в виде неорганических кислот или солей. Азотосодержащие органические соединения и аммонийные вещества разлагаются с выделением азота. Металлы выделяются в виде неорганических солей или оксидов.
Кинетика и механизмы химических реакций в сверхкритической воде зависят от температуры и давления среды. Так, даже незначительное изменение давления сопровождается изменением плотности, а также диффузионных, вязкостных, диэлектрических и растворяющих свойств среды. Проводимые исследования показали, что при оптимальных значениях давления и температуры время пребывания исходного вещества ("топлива") в реакторе, необходимое для разложения до заданного уровня, составляет всего 1 -2 мин. Такая скорость переработки позволяет сделать вывод о значительной экономической эффективности СКВО. Например, по данным зарубежных исследователей стоимость переработки одного литра отходов в реакторе СКВО оценивается в 5-20 центов, что примерно в 10 раз дешевле, чем при переработке с помощью традиционной технологии сжигания. А так как реакции окисления органики обладают экзотермическим эффектом, то выделяемая теплота реакций компенсирует энергозатраты на создание необходимых условий в реакторе [4-6].
Авторами статьи начаты работы по получению целлюлозы из древесной технологической щепы в режиме СКВО. Отработка совершенствования процесса производства целлюлозы по методу термической обработки водой при суб- или сверхкритических параметрах требует обстоятельных физико-химических и технологически исследований. В настоящее время публикации на эту тему практически отсутствуют. Обнадеживающие результаты получены исследователями в Северном (Арктическом)
федеральном университете имени М.В. Ломоносова по переработке черного щелока после варки древесной технологической щепы [3, 4].
Актуальность. Существующие способы получения высококачественной целлюлозы имеют ряд недостатков:
1. Наличие химикатов, которые требуют регенерации. А также приводят к риску нанесения ущерба окружающей среде
2. Сложность аппаратурно-технологического оформления процессов выпаривания и варки технологической щепы.
3. Большие энергетические затраты на выпаривание. Процесс выпаривания характеризуется высоким эксергетическим КПД. Но большой расход слабого раствора черного щелока на выпаривание при отношении концентраций слабого и крепкого растворов (от 13 - 15 % до 80 %) определяет высокую величину эксергетических потерь, пропорциональных расходу топлива.
4. Низкая производительность процесса варки технологической щепы и выпарки приводят к большим капитальным вложениям.
Целью исследования являлась разработка энерготехнологического комплекса на основе СКВО, имеющего высокую производительность по целлюлозе при исключении потребления затрат энергии от внешнего источника в установке, работающей в стационарном режиме.
Научная и практическая значимость. Реализация предлагаемого комплекса позволит:
1. Упростить аппаратурно - технологическую схему производства целлюлозы.
2. Исключить из цепи аппаратов содорегенерационные котлы (СРК), печи обжига известняка, выпарные установки, каустификаторы, варочные котлы.
3. Исключить ввод извне химикатов - каустической щелочи, известняка, сульфата и сульфида натрия.
4. Исключить подвод энергии от вешнего источника в процессе нагрева суспензии технологической щепы до реакционной температуры.
5. Интенсифицировать процесс варки технологической щепы.
Материалы и методы.
Оборотная химически очищенная вода, древесная технологическая щепа после классификации с размерами основной фракции 20х20х5 мм и окислитель поступают (рис.1) в химический реактор кипящего слоя, где нагреваются от регенеративной до реакционной температуры (примерно на 20 °С). В реакторе поддерживается давление 22,5 МПа и температура 450 - 500 °С.
Рис.1. Принципиальная схема получения Fig.1. Cellulose production concept based on SKVO целлюлозы на основе СКВО
Выдержка реакционной смеси длится не более одной минуты. На выходе из реакционной зоны выделяют суспензию а-целлюлозы. Для поддержания реакционной температуры в реакторе в реакционную зону подают расчетное регулируемое количество
окислителя. При заданных параметрах (давлении и температуре) в условиях недостатка окислителя происходит газификация лигнин-углеводного комплекса с получением горючих газов. Таким образом, поддержание реакционной температуры обеспечивается за счет энергии внутренних источников. Горючие газы поступают в энергетический блок, где на основе когенерации вырабатывают теплоту и электроэнергию.
Суспензию целлюлозы промывают и разделяют: а-целлюлозу направляют на дальнейшую переработку, а воду после очистки от примесей направляется в начало процесса.
Такое энерготехнологическое оформление процесса СКВО позволяет существенно повысить эксергетический КПД в сравнении с классическим методом переработки от 48 до 80 % в отсутствии таких технологических переделов, как варка древесной технологической щепы, выпаривание, СРК, печи карбонизации.
В основу разработки энерготехнологического комплекса положены результаты исследований поведения воды при сверхкритических параметрах. В экспериментах установлено, что вода при сверхкритическом состоянии имеет очень высокую реакционную способность окисления [7-10]. Время реакции окисления на два-три порядка меньше, чем в известных способах получения целлюлозы. В этих условиях возможно организовать проведение технологического процесса без «зависания» технологической щепы как это бывает в варочном котле [11, 12]. При хорошем перемешивании технологической щепы, воды и окислителя в условиях СКВО можно устранить непровар целлюлозы, а также получить а-целлюлозу с низким содержанием примесей.
В исследованиях подчеркивается, что отмеченные результаты получены при наличии примесей в ионном виде. В нашем случае имеется композитная матрица, состоящая из лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы. Поэтому в обозначенных условиях будет иметь место многостадийный процесс газификации, состоящий из выщелачивания сахарозы (гемицеллюлозы и лигнина) в раствор, а затем газификации этих компонентов без химического воздействия на целлюлозу.
Такое предположение строится на следующих предпосылках:
1. Температуры разрушения целлюлозы и сахарозы не совместимы: лигнин начинает термически разлагаться при температуре примерно 150 0С, гемицеллюлоза - 160 0С, а целлюлоза - свыше 170 0С.
2. Допускается введение в процесс добавок, которые повышают термическую и окислительную устойчивость целлюлозы по отношения к сахарозе.
В действующем технологическом процессе несовместимая температурная устойчивость целлюлозы с сахарозами является основой варки технологической щепы, когда сахароза переходит в истинный или коллоидный раствор, а целлюлоза является целевым продуктом варки.
На основе этих предпосылок была предложена энерготехнологическая установка с реактором оригинальной конструкции (рис.2) [13, 14].
Результаты
Установка состоит из ряда последовательно соединенных блоков:
1. Блок регенерации теплоты. Блок состоит из двух стадий нагрева воды. Первая стадия нагрева состоит из рекуперативных шнековых теплообменников, работающих при давлении до 0,5 МПа. Вторая стадия нагрева также состоит из рекуперативных шнековых теплообменников, работающих при давлении до 25 МПа.
2. Блок гидроклассификации. Блок состоит из двух цилиндроконических аппаратов, соединенных последовательно, в которых ведут гидроклассификацию технологической щепы по размерам. Аппараты работают при атмосферном давлении.
Большое значение имеет переработка технологической щепы с высокой основной фракцией. Именно недостаточная классификация технологической щепы (по длине и ширине) приводит к непровару, снижая качество целлюлозы. Поэтому поступающая на завод технологическая щепа должна обязательно подвергаться дополнительной гидроклассификации. Технологическая щепа с высокой основной фракцией направляется в реактор на газификацию, мелкая и крупная - в энергетический блок на сжигание. Крупная фракция может возвращаться на доизмельчение.
Рис. 2. Блок-схема энерготехнологической установки 1 - блок регенерации теплоты, 2 - блок гидроклассификации, 3 - технологический блок, 4 - блок механической и химической очистки воды, 5 - энергетический блок, в - вода, щ -щепа, кщ - крупная фракция щепы, мщ - мелкая фракция щепы, тщ - технологическая щепа, о -окислитель, п - водяной пар, э - электроэнергия, омщ - обезвоженная мелкая щепа, ц - целлюлоза, г - газ
Fig. 2. Process Plant Block
1 - Heat regeneration unit, 2 - hydroclassification unit, 3 - technological unit, 4 - mechanical and chemical water purification unit, 5 - energy unit, in -water, ch - chips, kch - large fraction of chips, mosch - fine fraction of chips, vanity - technological chips, o - oxidizer, n - water vapor, e - electricity, omsk -dehydrated fine chips, c - cellulose, g - gas
Классифицированную древесную технологическую щепу, полученную в дисковых или барабанных рубительных машинах после пропарки направляют на гидроклассификацию для повышения эффективности ее классификации по размерам. Так как существующие механические способы классификации не позволяют получить кондиционную технологическую щепу. Действующий ГОСТ 15815—83 устанавливает следующие геометрические размеры щепы для целлюлозно-бумажного производства: длина в пределах от 15 до 25 мм, толщина не более 5 мм, -ширина не регламентируется. Реальные размеры щепы изменяются в широких пределах и определяются целым рядом факторов, наиболее важными из которых являются физико-механические свойства измельчаемой древесины, режимы резания и конструктивные особенности рубительных машин. На практике длина щепы по волокну достигает 50 мм, толщина 12 мм, ширина колеблется в пределах от 2 до 60 мм. Для выравнивания щепы по размерам ее сортируют, удаляя чрезмерно крупные и мелкие частицы. Но даже и после сортировки щепа содержит частицы различных размеров. Количественное соотношение частиц определенных размеров в общей массе технологической щепы определяет ее фракционный состав. Различают кондиционную (основную), крупную и мелкую фракции. Содержание частиц по фракциям регламентируется действующим стандартом. Ширина щепы не регламентируется ГОСТ, но рекомендуется до 20 мм. Следует отметить, что слишком большая ширина щепы не только ухудшает процесс делигнификации, но и затрудняет процесс формирования основной фракции, снижает механические характеристики целлюлозы и приводит к эксплуатационным трудностям.
Гидроклассификацию проводят в двух последовательно соединенных двухступенчатых цилиндроконических аппаратах. В таких аппаратах удается производить загрузку исходного материала и промывку водой при классификации одновременно. При этом в нижней конической части подачей чистой воды создается такая скорость восходящего потока, которая способна выносить практически все частицы меньше расчетного размера в цилиндрическую и верхнюю коническую часть конуса. Подача суспензии осуществляется сверху по центральной трубе в таких количествах, чтобы вместе со свежей водой были созданы условия для удаления из конуса частиц заведомо меньше расчетного размера. Гидростатические измерители плотности, установленные в конусах, позволяют автоматизировать процесс классификации.
Был произведен расчет конструктивных параметров цилиндроконических аппаратов для классификации древесной щепы
Поверхность зеркала слива
cDl _ •^цв
ои
■ = 22020 см2
0,012 *0,632
уш - скорость осаждения частиц по Стоксу для й = 25 мм при = 20 °С, Q?л1T -производительность по твёрдому в пульпе слива, кг/ч, поправочный коэффициент на скорость восходящих потоков
Диаметр цилиндрической верхней части
Sim = 0,785 * D,
(Dir
цв
DD 1 =
Цв _ 0,785
2202 0,785
= 148 см
Диаметр цилиндрической части нижнего цилиндра
& = 7 8 5* $ 1 ' = 0104
■ D1 (D1)2 и!1иЧ!
'цв 0,785 * ВЛ. '
ЦВ
тогда
Jd^D !) 2 *0, 1 0 4 = V 1482 * 0,1 04 = 48 см. Высота конической части верхнего конуса при о£в! =
DD !=
30о - угол конусности
конической части верхнего конуса, град.
- dJ^ = 14 8 - 4 8
hD 1 =
"цв
aD 1 dD1_ ( tg ^f)-1-^-
= 187 см
0,181*2
Высота цилиндрической части верхнего цилиндра принимается равной 100 см. Высота конической части нижнего конуса
.D 1 = DH*( tg iH )-1 = 488 *
АЦВ
^f* ( tg ^ Г = f * (t^r = 96 см
Площадь поперечного сечения цилиндра нижней части конуса
SD! = 0,785 * D4H
^ 0,785 * 482 = 1808 см2 Высота цилиндрической части нижнего цилиндра принимается равной 100 см. 3. Технологический блок. Блок состоит из одного цилиндроконического аппарата, работающего при параметрах суб или сверхкритических параметрах воды. Назначение блока - химическая очистка древесной технологической щепы без разрушения ее каркаса (а-целлюлозы).
Рис. 3 Схема реактора 1 -ввод варочного раствора; 2 -ввод окислителя; 3 - разгрузочная камера; 4 - ввод древесной технологической щепы; 5 - камера смешения; 6 - переходная камера; 7 - реакционная камера; 8 -отвод готового продукта; 9 -отвод газообразных продуктов окисления
Fig. 3 Reactor design 1 - infusion of cooking liquor; 2 - injection of oxidant; 3 - unloading chamber; 4 -introduction of wood processing chips; 5 - mixing chamber; 6 - transfer chamber; 7 - reaction chamber; 8 - discharge of finished product; 9 -removal of gaseous oxidation products
Реактор представляет собой цилиндроконический корпус с патрубками для загрузки древесной щепы и выгрузки готового продукта. В нижней части располагаются технологические отверстия для тангенциального ввода воды и воздуха. Отвод образовавшихся в реакторе газообразных продуктов окисления производится из верхней части установки. Массообмену в данном аппарате придаётся организованный характер,
когда поток древесной технологической щепы перемещается снизу аппарата вверх в режиме псевдоожижения. На рис. 3 приведена принципиальная схема реактора.
Был проведен расчет необходимого объема реактора сверхкритического водного окисления производительностью по целлюлозе 5,5 т/сутки.
Исходные данные: Суточный выход целлюлозы, Оц = 5,5 т/сутки = 64 г/с; Соотношение воды и технологической щепы 7; Массовый расход воды, 0в=500 г/с; Массовый расход технологической щепы, 0щ=600 г/с; Температура технологической щепы, 1щ=20°С; Температура в реакторе, 1р=377°С; Давление в реакторе, Р=25 МПа.
Расчет объема реактора Реакция окисления: СН + 1,25О2 = СО2 + 0,5Н2О. Соотношение окислителя к органике: О2/СН = 32/13 =2,471.
Для окисления 64 г СН требуется 64х2,471=158 г кислорода; количество необходимого воздуха -158х5 = 790 г/с.
Коэффициент использования кислорода в реакторе - 0,725, следовательно, количество воздуха, подаваемое в реактор: 0в=790/0,725=1090 г/с
Согласно реакции 64 г. органики образуют конечных продуктов 64/13=4,92 моль. [15, 16]
Таким образом из уравнения Менделеева - Клапейрона определятся необходимый объем реактора:
V ,= я.т/р = 1090-831-б50=8,12
по воздуху - " 29.10".25.10' м3
^ = 5 я .т/р= 64 ..О =
по СО2 - С°2 ^ 13 '10 •25 -106 м3
я .т/р= 500 ■ У1'650 =6,0 по воде - в а, 18^ •25-106 м3
Суммарный требуемый объем реактора: Ур=Увозд+УСо2+Ув=8,12+1,06+6,0=15,18 м3.
4. Блок механической и химической очистки воды. Блок включает фильтры тонкой очистки, а также натрий - катионитовые и анионитовые фильтры.
5. Энергетический блок. Блок включает котел-утилизатор, паровую турбину и электрическую пусковую установку.
В рассмотренных блоках взаимодействуют следующие технологические потоки: на входе в установку - поток воды; поток окислителя, поток древесной технологической щепы;
на выходе из установки - поток целлюлозы, теплота и электроэнергия. Поток воды.
Очищенную от механических и химических примесей воду из блока 4 при температуре 200 ° направляют в блок 1 регенерации теплоты воды из варочного котла. Нагретую в блоке регенерации теплоты воду направляют в технологический блок-блок получения целлюлозы 3.
Технологический блок 3 представляет соосный цилиндроконический аппарат, который состоит из двух ступеней, каждая из которых представлена конусом и цилиндром. Конус 1-ой ступени служит для сбора и выгрузки классифицированной целлюлозы; цилиндр 1-ой ступени служит для перемешивания воды, окислителя и пропарки древесной технологической щепы; усеченный конус 2-ой ступени играет роль формирования потока; цилиндрическая часть 2-ой ступени представляет реакционную зону, где происходит экзотермическая реакция окисления древесной технологической щепы при сохранении ее каркаса, т.е. целлюлозы. Экзотермическая реакция окисления позволяет нагреть воду, выходящую из блока 1 до реакционной температуры.
В блок 3 входят три продукта: вода из блока 1, тангенциально подведенная в конусную часть часть 1-ой ступени; окислитель (воздух, перекись водорода или др.), тангенциально подведенный в конусную часть 1-ой ступени; древесная технологическая щепа из блока 2, подведенная в усеченный конус второй с ступени.
Из блока 3 выходят три продукта: вода из верхней части цилиндра, 2-ой ступени, которую направляют в блок 1 на охлаждение в шнековых рекуперативных теплообменника; целлюлоза, полученная в нижнем конусе 1-ой ступени; газ, состоящий из водорода, метана и углекислоты, который направляют в блок 5.
Нагретую воду из блока 1 направляют в блок 3, где ее нагревают до температуры реакции теплотой экзотермических реакций окисления. Давление в варочном котле регулируют клапаном на выходе воды из блока 1.
Поток древесной технологической щепы.
Технологическая щепа, поступающая в производство, не удовлетворяет полностью техническим требованиям для получения качественной целлюлозы. Поэтому ее подвергают дополнительной гидроклассификации в блоке 2. Блок состоит из двух соединенных последовательно цилиндроконических аппарата. В первом аппарате ведут классификацию по плюс минус 25 мм (по длине). Во второй аппарат поступает технологическая щепа (по длине) минус 25 мм и классифицируют по (по длине) минус 15 мм. Технологическую щепу (по длине) плюс 25 мм выгружают из нижнего конуса первого аппарата и выводят их схемы на доизмельчение. В конусе второго аппарата концентрируется основная фракция (по длине) (плюс 15 мм минус 25 мм) кондиционной технологической щепы, которую направляют в блок 3. Гидроклассификацию ведут по эквивалентному диаметру рассчитанному исходя из трех размеров технологической щепы: длине, ширине и толщине. При этом ширина принимается равной длине. Щепу подают в блок 3 системой шнеков в усеченный конус варочного котла. Далее технологическая щепа, обработанная водой, насыщенной окислителем при скорости 1,0-1,5 м/с поднимается вверх и поступает в усеченный конус 2 ступени для формирования потока. Из усеченного конуса технологическая щепа, подхваченная водным потоком с окислителем, попадает в цилиндрическую часть (химический реактор) где в течение 2 - 5 минут происходит полная деструкция лигноуглеводного комплекса, гемицеллюлозы и др. форм органических соединений без разрушения каркаса древесины (целлюлозы). Древесная технологическая щепа в реакторе движется совместно с водой при скорости, определяемой выносом частиц меньше 10 мм. В конусе реактора осаждается фракция целлюлозы по длине минус 25 мм плюс 10 мм. с учетом получения готового продукта при толщине 2-5 мм и ширине 20 мм с влажностью 50 %. Выгрузка целлюлозы из реактора нижнего конуса происходит через выгрузное устройство, хорошо освоенное в классических способах варки целлюлозы. Следует отметить, что в потоке, определяемом выносом частиц меньше 10 мм может не содержаться твердых частиц, если перечистная гидроклассификация в блоке 1 проведена качественно.
Поток окислителя
В качестве окислителя могут выступать различные вещества: воздух, перекись водорода, кислород, озон и др. Наиболее доступным и дешевым является воздух, но при газификации древесной технологической щепы, большое количество азота, содержащегося в образующемся при окислении газе, снижает его ценность как топлива. Окислитель компрессором высокого давления подают тангенциально в коническую часть 1-ой ступени цилиндроконического аппарата на уровне ввода воды. Окислитель подают в количестве на 20-30% выше расчетного для полного окисления органических соединений, исключая каркас древесины (целлюлозу).
Взаимодействия потоков
В варочном котле после реакции в течение 2-5 минут образуются три потока: поток воды после классификации древесной технологической щепы по минус 10 мм, целлюлоза, которая концентрируется в нижнем конусе аппарата и поток газа, состоящий из водорода, метана и углекислого газа. Воду и газы удаляют из верхней части котла, целлюлозу-из нижнего конуса первой ступени аппарата.
Поток воды после классификации по минус 10 мм направляют в блок регенерации теплоты. На выходе потока из блока регенерации теплоты воду направляют в блок 4 механической и химической очистки. Очищенную воду после корректировки дополнительной водой до гидромодуля 4 направляют в трубную часть шнековых теплообменников первой стадии блока 1. Полученную целлюлозу после варочного котла направляют на дальнейшую переработку. Образующиеся газы из варочного котла перерабатывают в энергетическом блоке 5. В состав блока включен котел-утилизатор и паровая турбина. В результате на выходе из блока 5 выходят теплота и электроэнергия. Используется для собственных нужд, а избыток энергетических ресурсов направляют в сеть. Кроме того, в состав блока 5 входит электрический котел для первичного запуска установки с мощностью, обеспечивающий нагрев воды на 15-30 градусов. Котел включен в
общую систему циркуляции воды в замкнутом цикле между выходом воды из шнековых теплообменников 2-ой ступени и варочным котлом. При входе в режим, котел отключается.
Выводы
Таким образом, в результате обработки технологической щепы в кипящем слое в режиме суб- и сверхкритического водного окисления без применения химикатов с дополнительной классификацией волокнистых материалов в кипящем слое и очисткой от химических примесей a-целлюлозы качество продукции повышается, а удельные энергетические и капитальные затраты снижаются, так как в технологии отсутствуют технологические процессы и аппараты, как содорегенерационный котел, выпаривание черного щелока, печи обжига известняка и каустизация зеленого щелока, сокращается или отсутствует процесс отбелки целлюлозы и ее сортировки. Следует отметить, что существенно сокращается время варки (более чем на порядок).
Литература
1. Алексеев Е. С., Алентьев А. Ю., Белова А. С., и др. Сверхкритические флюиды в химии // Успехи химии. 2020. Т. 89. № 12. С. 1337-1427.
2. A formulation for the static permittivity of water and steam at temperatures from 238 K to 873 K at pressures up to 1200 MPa, including derivatives and Debye-Hückel coefficients / D. P. Fernández, J. M. H. Levelt Sengers, A. R. H. Goodwin [et al.] // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1997. V 26. No 4. р. 1125-1166.
3. Боголицын К.Г., Красикова А.А., Гусакова М.А. Сверхкритические флюидные технологии в химии древесины и ее компонентов // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2014. Т.9. № 3. С. 83-95.
4. Боголицын К.Г. Перспективы применения сверхкритических флюидных технологий в химии растительного сырья // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2007. Т. 2. № 1. С. 16-27.
5. Галкин А.А., В.В. Лунин Вода в суб- и сверхкритических состояниях -универсальная среда для осуществления химических реакций // Успехи химии. 2005. Т.74. №1. С. 24-40.
6. Синев М. Ю., Шаповалова О.В. Физическое состояние и возможности практического использования водных флюидов в различные областях параметров состояния // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2020. Т. 15. № 3. С. 87-102
7. Алексеев Е. С., Алентьев А. Ю., Белова А. С. Сверхкритические флюиды в химии // Успехи химии. 2020. Т. 89. № 12. C. 1337-1427.
8. Resende F.L.P., Savage P.E. Kinetic model for noncatalytic supercritical water gasification of cellulose and lignin // AIChE Journal. 2010. V. 56. No 9. р. 2412-2420.
9. Федотов А.В. Эффективность гидротермальной переработки органических отходов в реакторе полного смешения проточного типа // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2021. Т. 16. № 1. С. 67-76.
10. M. Bailera., P. Lisbona L. M., Romeo., S. Espatolero. Power to Gas projects review: Lab, pilot and demo plants for storing renewable energy and CO2 // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. V. 69. P. 292-312.
11. Софронова Е.Д., Липин В. А. Современные технологии в целлюлозной промышленности // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2018. № 223. С. 267-284.
12. Громова Е.Н., Николаева А.Г. Анализ причин возникновения непроваров в производстве сульфатной целлюлозы // Современная целлюлозно-бумажная промышленность. Актуальные задачи и перспективные решения: Материалы II Международной научно-технической конференции молодых учёных и специалистов ЦБП, Санкт-Петербург, 23 ноября 2020 года. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, 2020. С. 33-35.
13. Казаков В. Г., Луканин П. В., Громова Е. Н. Патент на изобретение № 2771348 C1 Российская Федерация, МПК D21C 3/00 (2006.01), D21C 3/22 (2006.01). Способ получения целлюлозы: № 2021127142 : заявл. 14.09.2021 : опубл. 29.04.2022; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна».
14. Казаков В.Г., Луканин П. В., Громова Е. Н. Патент на полезную модель № 208723 U1 Российская Федерация, МПК D21C 7/00. Вертикальный варочный котел: № 2021127259 : заявл. 14.09.2021: опубл. 11.01.2022. заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна».
15. Григорьев В.С., Милованов Н.С., Полякова А.А. Методика расчета реактора сверхкритического гидротермального окисления // Труды ГОСНИТИ. 2014. Т. 116. с. 31-39.
16. Хлыновский А.М., Короткова Т.Ю., Пеленко В. В., Верхоланцев А. А. Разработка автономного комплекса утилизации органических отходов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 3(100). С. 170-179.
Авторы публикации
Казаков Владимир Григорьевич - д-р. техн. наук., старший научный сотрудник, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, профессор кафедры Промышленной теплоэнергетики, email: k64089@yandex.ru.
Громова Екатерина Николаевна - канд. техн. наук., доцент, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, доцент кафедры Промышленной теплоэнергетики, email: gromova.gturp@mail.ru.
Алешина Алена Сергеевна - канд. техн. наук., доцент, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, доцент Высшей школы атомной и тепловой энергетики, email: alena.aleshina@spbstu.ru.
References
1. Alekseev ES, Alent"ev A.Yu, Belova A.S. Sverxkriticheskie flyuidy' v ximii. Uspexi ximii. 2020;89(12):1337-1427.
2. D. P. Fernández, J. M. H. Levelt Sengers, A. R. H. Goodwin, et al. A formulation for the static permittivity of water and steam at temperatures from 238 K to 873 K at pressures up to 1200 MPa, including derivatives and Debye-Hückel coefficients. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1997;26(4):1125-1166.
3.Bogolicyn KG, Krasikova A.A., Gusakova M.A. Sverxkriticheskie flyuidny'e texnologii v ximii drevesiny' i ee komponentov. Sverxkriticheskie flyuidy': teoriya i praktika. 2014;9(3):83-95.
4.Bogolicyn K.G. Perspektivy" primeneniya sverxkriticheskix flyuidny"x texnologij v ximii rastitel"nogo sy"r"ya. Sverxkriticheskie flyuidy': teoriya i praktika. 2007;2(1):16-27.
5.Galkin AA, Lunin VV. Voda v sub- i sverxkriticheskix sostoyaniyax - universal"naya sreda dlya osushhestvleniya ximicheskix reakcij. Uspexi ximii. 2005;74(1):24-40.
6.Sinev MYu, Shapovalova OV. Fizicheskoe sostoyanie i vozmozhnosti prakticheskogo ispoFzovaniya vodny"x flyuidov v razlichny"e oblastyax parametrov sostoyaniya. Sverxkriticheskie flyuidy': teoriya i praktika.2020;15(3):87-102
7. Alekseev ES, Alenfev AYu, Belova AS, et al. Sverxkriticheskie flyuidy' v ximii. Uspexi ximii. 2020;89(12):1337-1427.
8.Resende FLP, Savage PE. Kinetic model for noncatalytic supercritical water gasification of cellulose and lignin. AIChE Journal. 2010;56(9):2412-2420.
9.Fedotov A.V. E"ffektivnost" gidrotermaFnoj pererabotki organicheskix otxodov v reaktore polnogo smesheniya protochnogo tipa. Sverxkriticheskie flyuidy': teoriya i praktika. 2021;16(1):67-76.
10. M. Bailera, P. Lisbona, L. M. Romeo. Power to Gas projects review: Lab, pilot and demo plants for storing renewable energy and CO2. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017;69:292-312.
11.Sofronova E.D, Lipin VA. Sovremenny"e texnologii v cellyuloznoj promy"shlennosti / E. D. Sofronova, V. A. Lipin. Izvestiya Sankt-Peterburgskoj lesotexnicheskoj akademii. 2018.
12.Gromova EN, AG. Nikolaeva Analiz prichin vozniknoveniya neprovarov v proizvodstve sul'fatnoj cellyulozy. Sovremennaya cellyulozno-bumazhnaya promy'shlennost'. Aktual'ny'e zadachi i perspektivny'e resheniya : Materialy" II Mezhdunarodnoj nauchno-texnicheskoj konferencii molodyx uchyony"x i specialistov CzBP, Sankt-Peterburg, 23 noyabrya 2020 goda. - Sankt-Peterburg: Sankt-Peterburgskij gosudarstvenny"j universitet promy"shlenny"x texnologij i dizajna, 2020. Pp. 33-35.
13. Kazakov V.G, Lukanin P.V, Gromova E.N. Sposobpolucheniya cellyulozy": Patent na izobretenie № 2771348 C1 Rossijskaya Federaciya, MPK D21C 3/00 (2006.01), D21C 3/22 (2006.01). № 2021127142 : zayavl. 14.09.2021 : opubl. 29.04.2022 ; zayavitel" Federal"noe
gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovateFnoe uchrezhdenie vy"sshego obrazovaniya "Sankt-Peterburgskij gosudarstvenny"j universitet promy'shlenny'x texnologij i dizajna".
14. Kazakov VG, Lukanin PV, Gromova EN. Patent na poleznuyu model" № 208723 U1 Rossijskaya Federaciya, MPK D21C 7/00. Vertikal'ny'j varochny'j hotel: № 2021127259 : zayavl. 14.09.2021: opubl. 11.01.2022. zayaviteF FederaFnoe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovateFnoe uchrezhdenie vy"sshego obrazovaniya «Sankt-Peterburgskij gosudarstvenny"j universitet promy'shlenny'x texnologij i dizajna».
15. Grigor"ev VS, Milovanov NS., Polyakova A.A. Metodika rascheta reaktora sverxkriticheskogo gidrotermal'nogo okisleniya. Trudy" GOSNITI. 2014. T. 116.pp. 31-39.
16. Xly"novskij AM, Korotkova TYu, Pelenko VV, et al. Razrabotka avtonomnogo kompleksa utilizacii organicheskix otxodov. Texnologii i texnicheskie sredstva mexanizirovannogo proizvodstvaprodukcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019;3(100): 170-179.
Authors of the publication
Kazakov V. G. - St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, email: k64089@yandex.ru.
Gromova E.N. - St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, gromova.gturp@mail.ru.
Alyoshina A.S. - Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, email: alena.aleshina@spbstu.ru.
Получено 21.07.2022г.
Отредактировано 10.08.2022г.
Принято 24.08.2022г.
