CC BY
84
УДК 691-419.8
Р. Р. Сафин, А. Л. Тимербаева, Р. Р. Зиатдинов, А. Л. Ахунова
ХИМИЗМ ПРОЦЕССА ТОРРЕФИКАЦИИ ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА
Ключевые слова: торрефикация, синтез-газ, термическая обработка, водный пар.
В статье рассматривается кинетика относительной массы сосновых стружек при различных температурах обработки, основные продукты разложения древесных частиц в процессе торрефикации. Изучено влияние температуры термической обработки на процесс газификации торрефицированных топливных гранул, выявлена оптимальная температура процесса переработки древесной зелени водяным паром.
Keywords: torrevieja, syngas, heat treatment, water vapor.
In article considered the kinetics of relative mass of pine shavings at various temperatures of processing, the main products of decomposition of wood particles in the course of a torrefikation. In article is studied influence of temperature of heat treatment on gasification process the torrefikation of fuel granules, the optimum temperature of process ofprocessing of wood greens is revealed by water vapor.
Введение
Необходимость развития зеленой энергетики осознают во всем мире. В США и странах Евросоюза доля возобновляемых источников энергии в общем объеме производства достигает 11 и 9,6% соответственно. Например, в Дании доля возобновляемой электроэнергетики в общей структуре потребления в отдельные месяцы достигает 50%, а по ночам может доходить до 100%, в Испании этот показатель достигает 30 и 50% соответственно. По прогнозам, которые приводит консалтинговая компания «Вгапап» в своем исследовании: «Технологии возобновляемой энергетики», к 2020 г. в мире доля зеленой энергетики в общей выработке приблизится к 25%, при этом производство такой энергии в странах Евросоюза вырастет в 3,8 раза (до 521 ГВт), а в США - в 22,5 раза (до 1260 ГВт). Россия же в использовании возобновляемых источников энергии пока существенно отстает. В 2008 г., по данным Министерства энергетики Российской Федерации, на зеленую энергетику пришлось 0,9% всей произведенной в стране энергии, в 2011 г. доля возобновляемых источников также составила менее 1% общей выработки [1-2].
Использование возобновляемых источников энергии в России сопряжено с определенными трудностями. Так, распространение ветро- и солнечной энергетики ограничивается
непостоянностью источников энергии - ветра и солнца. Еще одна проблема: территории с возможным расположением ветровых мельниц значительно удалены от инфраструктуры, что осложняет их подключение к электросетям. Среди проблем биоэнергетики - потребность в земле для выращивания сельхозкультур, что порождает конкуренцию с производством пищевых продуктов, а также вредные выбросы при сжигании (сажа, зола, СО, С02) и сезонный характер роста некоторых культур [2]. У приливной и волновой электроэнергетики пока вообще больше проблем, чем решений. Среди минусов и географическая привязка к береговой линии, и удаленность от
электросетей, и негативное влияние на окружающую среду (эрозия побережья, поверхностные сбросы), и зависимость от природных явлений, и дороговизна, и сложность техобслуживания, и быстрый износ генерирующего оборудования под воздействием воды.
В связи с этим, наиболее распространенным альтернативным видом топлива в России являются отходы деревообрабатывающих производств. Однако, из-за различной дисперсности, низкой энергоёмкости, низкой объёмной плотности и зачастую высокого содержания влаги в древесных отходах, их прямое использование в качестве топлива ограничено пределами самого производства. Ввиду данных факторов, получило распространение гранулирование древесных отходов, что в российских реалиях также, зачастую, является неэффективным и экономически нерациональным. Поэтому актуальным является разработка методов повышения эффективности топливных древесных гранул. Одним из наиболее эффективных методов в настоящий момент многими исследователями признается предварительная торрефикация - термическая обработка без доступа кислорода воздуха [3-4]. Являясь процессом пиролиза при средних температурах и нормальном атмосферном давлении, торрефикация способна снизить гигроскопичность, повысить энергоёмкость, объёмную плотность, содержание кислорода и измельчаемость, что, в конечном счете, ведет к сокращению расходов на транспортировку и хранение.
В настоящий момент технологический процесс производства торрефицированных гранул включает процессы сушки и непосредственной термической обработки древесного сырья, гранулирования и охлаждения. Большинство исследований процесса торрефикации посвящены её технике, сырью и продуктам [3]. При рабочей температуре 220-300°С основным процессом торрефикации является гемицеллюлозный пиролиз. В качестве сырья используются, в основном, древесные растения.
По сравнению с процессами горения и пиролиза, технология газификации является более
эффективной и безопасной для окружающей среды. Она является важным шагом к широкомасштабному использованию биомассы [5,8]. Однако, влияние торрефикации на процесс газификации слабо исследовано. Отсюда, задачей данной работы было исследование воздействия предварительной торрефикации топлива на дальнейшую его газификацию. Был проделан ряд экспериментов по изучению процесса торрефикации, свойств продуктов торрефикации и влияния торрефикации на качество синтетического газа и эффективность газификации.
Объекты и методы исследования
В качестве экспериментальных образцов в данной работе использовались древесная стружка и топливные гранулы диаметром 6 - 8 мм и длиной менее 49 мм, влажность 8 - 12% На рис. 1 и 2 иллюстрируют влияние температуры торрефикации и времени выдержки на итоговый массовый выход твердых древесных отходов (стружка), представлены кинетические кривые изменения относительной массы сосновых стружек при различных температурах термической обработки.
По результатам данных исследований получены кривые изменения потока летучих при торрефикации сосновых стружек, представленные на рис. 2. В процессе наблюдается активная потеря веса в результате образования большого количества летучих веществ. При этом максимальная скорость потери массы характерная для более высоких температур обработки.
Рис. 1 - Кинетика относительной массы сосновых стружек при различных температурах обработки: 1 - 200; 2 - 220; 3 - 240; 4 - 260, 5 - 280
Анализ образования летучих продуктов в процессе торрефикации характеризует активное газовыделение в интервале 10-25 минут для всех температур обработки. Следует отметить, что при возрастании температуры выше 250 °С наблюдается резкое увеличение потока летучих продуктов разложения, что объясняется началом разложения при данных температурах более термостойких компонентов древесины.
Состав основных газообразных продуктов разложения древесных частиц при термической
обработке показан на рис. 3 на примере осуществления процесса при температуре 260°С.
Количественный анализ продуктов разложения (рис. 3), проведенный в процессе торрефикации при 260°С показал, что в начальный период нагревания удаляется в основном только связанная влага [7].
Рис. 2 - Изменение потока летучих веществ при торрефикации сосновых стружек: 1 - 200 °С; 2 -220 °С; 3 - 240 °С; 4 - 260 °С, 5 - 280 °С. Ось ординат характеризует количество летучих веществ, выделяющихся в процессе торрефикации за единицу времени
120 О-
100
80
60
40
20
о- -□- -о
1 2
, и* 3
-_) ^^ 4
-ф-1- -У
10
20
30
40
50
60
Рис. 3 - Основные продукты разложения древесных частиц в процессе торрефикации: 1 -Н20; 2 - С02; 3 - СО; 4 - другие
Незначительные выделения СО и СО2 начинаются во временном интервале от 2 до 6 мин, что объясняется обжигом ближайших к греющей поверхности древесных частиц. Основная стадия характеризуется помимо активного выделения основных продуктов СО и СО2 некоторым образованием (до 10-12%) группы других различных соединений. Целесообразно
предположить, что к этим соединениям относятся алканы, карбонильные соединения, ароматические углеводороды и фенолы, связанные с образованием дегтя и других веществ, повреждениями и разрушениями волокнистой структуры. Выделение воды наблюдается на протяжении всего процесса,
однако если на первых минутах это основной продукт, то по мере осуществления процесса интенсивность образования воды существенно снижается. Обратную картину демонстрирует выделение СО2: постепенно нарастая на протяжении всего процесса становиться основным продуктом газообразования стадии разложения остатка (45 - 50 мин).
Следующим этапом исследований стало изучение влияния температуры термической обработки на процесс газификации торрефицированных топливных гранул. Результаты представлены в таблице 1. Следует отметить, что время обработки (20 и 40 мин) оказало несущественное влияние на состав синтез-газа и, соответственно, теплоту его сгорания [6].
Таблица 1 - Относительная теплотворная способность синтез-газа в зависимости от времени обработки
Рис. 4 - Состав синтез-газа, полученного в результате газификации торрефицированного топлива: 1- оксид углерода, 40 мин; 2 - оксид углерода, 20 мин; 3 - водород, 40 мин; 4 -двуокись углерода, 20 мин; 5 - двуокись угдлерода, 20 мин; 6 - метан, 20 мин
Неконденсируемыми газообразными продуктами были в основном СО, Н2 и С02, содержание СН4 было незначительным. Торрефикация снизила количество влаги и кислорода, уменьшило соотношение кислород/углерод, что привело к увеличению содержания Н2 и СО в сингазе по сравнению с газификацией необработанных опилок, соответственно произошло уменьшение содержания
СО2. Кроме того, наблюдается некоторое снижение содержания Н2 при повышении температуры обработки древесных частиц выше 240°С в сторону образования СН4. Это объясняется тем, что содержание Н2 зависит не только от количества кислорода, но и от содержания водорода в торрефицированном топливе.
Следует отметить, что время обработки (20 и 40 мин), также как и в случае с теплотой сгорания, оказало несущественное влияние на состав синтез-газа. В то время как в результате повышения температуры торрефикации энергоемкость синтез-газа была заметно улучшена, что также подтверждается увеличением отношения количества тепловой энергии, выделяемой при сжигании синтез-газа из торрефицированного топлива к количеству тепловой энергии, выделяемой при сжигании самого газифицируемого сырья (табл. 1).
Однако, анализ табл. 1 также показывает, что теплотворная способность синтез-газа из торрефицированного топлива по отношению к теплотворной способности неторрефицированного древесного топлива существенно снижается с ростом температуры термической обработки, вследствие потери энергии вместе с удаленными из древесины в процессе торрефикации горючими веществами.
Вероятно, использование торрефицированного топлива в процессах газификации целесообразно в основном только при производстве жидких синтетических углеводородов (масел и топлив) реакцией Фишера-Тропша.
Заключение
По результатам экспериментальных
исследований выявлено, что процесс торрефикации оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие на процесс газификации. По сравнению с другими видами предварительной обработки процесс торрефикации имеет сильные преимущества и большой потенциал. Сочетание процессов торрефикации и газификации равнозначно процессу пиролиза и газификации, но потребление энергии торрефикации ниже, чем в высокотемпературном пиролизе [6]. Мощность, необходимая для измельчения древесины может быть сохранена до 50%-85% [4]. Из ранее проведенных опытов следует, что в процессе торрефикации можно использовать различные виды биомассы, в том числе и сельскохозяйственные отходы и «энергетические культуры», имеющие достаточно сходные физические и химические свойства [1]. Сезонные влияния на свойства сырья также уменьшаются [5].
Поскольку удаление летучих веществ было усилено за счет увеличения температуры торрефикации, то и относительная теплотворная способность синтез-газа снизилась с ростом температуры термической обработки. С целью получения тепловой энергии газификация нерациональна, эффективнее осуществлять прямое сжигание топливных гранул без их газификации [10].
Относительная теплотворная
способность синтез-газа из
торрефицированного топлива
Т, °С Время обработки, мин
20 40 20 40
газифицируемое неторре< )ициров
сы рье анные пеллеты
220 0,81 0,82 0,74 0,72
240 0,84 0,87 0,72 0,71
260 0,81 0,82 0,67 0,66
280 0,80 0,81 0,51 0,50
% 1
1
1. г 3
-' 1
1 К"
4
5
6
1 Х ■- ■ > -■ [■
контр 2 !0 240 260 230
Литература
1. Воронин А.Е., Сафин Р.Р., Зигангараев А.Ф. Математическая модель технологического процесса переработки древесной зелени водным паром, Вестн. Казан. технол. унив, 9, 505-511 (2010);
2. Р.Р. Сафин, А.Е., Воронин, Д.Ф. Зиатдинова, Экспериментальные исследования переработки древесной зелени хвойных пород, Лесн. вестн, Москов. госуниверситет леса, 4, 168-173 (2010);
3. Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Е.Ю Разумов, Разработка новой технологии получения термодревесины, Вестн. Казан. технол. унив,1,157-162 (2011);
4. Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Д.А. Ахметова, Исследования термомодифицирования древесины сосны
в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, журнал Дизайн и производство мебели, 2, 36-39 (2008);
5. Р.Р. Сафин, Е. Ю. Воронин, Е.Ю. Разумов, А.Р. Зиатдинов, А.Т. Сабиров, Установка для переработки отходов древесных производств, Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского, 82-87(2009);
6. Р. Р. Сафин, А.Р.Шайхутдинова, Вакумн- конвективное термомодифицирование древесины вс реде перегретого пара, Вестник Казан. технол. ун-та, 2,6, 93-99, (2011)
7. Пат. RUS 2404238 (2009);
8. Пат. RUS 2351642 (2007);
9. Пат. RUS 2422266 (2009);
10. Пат. RUS 2422266 (2009).
© Р. Р. Сафин - д.т.н., профессор зав. каф. «Архитектуры и дизайна изделий из древесины», КНИТУ, cfaby@mail.ru; Л. В. Ахунова - асс. той же кафедры, Lilia3234 ard@mail.ru, А. Л. Тимербаева - аспирант кафедры «Переработка древесных материалов», КНИТУ, alt17@list.ru, Р. Р. Зиатдинов - магистр каф. «Архитектуры и дизайна изделий из древесины», КНИТУ.
© R. R. Safin - doctor of technical sciences, professor, head of the department of Architecture and design of wood products, KNRTU, Kazan, Russia, cfaby@mail.ru,; L. V. Akhunova - assistant of the department Architecture and design of wood products, KNRTU, Kazan, Russia; A. L. Timerbaeva - postgraduate of the department recycling of wood materials, KNRTU, Kazan, Russia; R. R. Ziatdinov - master of the department Architecture and design of wood products, KNRTU, Kazan, Russia.
