CC BY
06. Казанцев Е.Н Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2-е изд (доп. и переработанное) Казанцев Е.Н. М: Металлургия, 1975,-368С
7. Кириллов А.Н., Карасев Е.И.. Технология фанерного производства. Учебник для техникумов деревообрабатывающей промышленности. М.: Лесная промышленность. 1974. - 312 с.
8. Любов В.К. Исследования характеристик древесно-шлифовальной пыли и отходов фанерного производства/ В.К. Любов, А.Ю. Рома-нов//Наука - Северному региону: сб. науч. тр. - Выпуск 67. - АГТУ, 2006. с. 209-213.
9. Любов В.К. Анализ схем сжигания отходов переработки древесной биомассы/ В.К. Любов, В.А. Дьячков, Р.А. Ефимов// Труды III-й Рос. науч. конф. по теплообмену. Т.1. Пленарные и общие проблемные доклады. Доклады на круглых столах. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - с. 228-231.
10. Любов В.К. Анализ эффективности сжигания древесных отходов в котлоагрегатах с наклонно переталкивающими колосниковыми ре-шётками/В.К. Любов, А.Ю. Романов// Труды IV-й Рос. нау. конф. по теплообмену. Т.Э. Радиационный и сложный теплообмен. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - с. 73-76.
11. Любов В.К. Исследование эффективности и надёжности работы паровых котлов «Башйкеп»/ В.К. Любов, А.Ю. Романов, Н.В. Любова// Автоматизация машиностроительного производства, технология и надёжность машин, приборов и оборудования: Материалы 11-й Междун. научно-технич. конф. - Вологда: ВоГТУ, 2006. - т. II. с. 117-121.
12. Любов В.К. Исследования теплотехнических характеристик гидролизного лигнина/В.К. Любов, В.А. Дьячков, Д.З. Финкер и др.//Изв. Вузов. Лесн. Журнал. - 1994. - №2 -с. 135-137.
13. Любов В.К. Опыт сжигания высоковлажных отходов промышленности в топке безмельничного котлоагрегата/ В.К. Любов, Д.З. Финкер, И.Б. Кубышкин и др.// Тр. 1-й Рос. нау. конф. по теплообмену. Т.3. Теплообмен при хим. превращениях. -М.: Издательство МЭИ, 1994. - с. 163-168.
14. Любов В.К. Получение высококачественного топлива из отходов переработки биомассы/ В.К. Любов, В.А. Дьячков, Е.П. Ильин// Повышение эффективности энергетических систем и оборудования: сб. науч. тр. к 70-летию АГТУ. -Архангельск: АГТУ, 1999, - с. 97-100.
15. Любов В.К. Энергетическое использование биотоплива: учебное пособие/ В.К. Любов. - Архангельск. Изд-во АГТУ, 2007. - 156 с.
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ТОРРЕФИКАЦИИ
Левин А.Б.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук
Малинин В.Г.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук,
Хроменко А.В.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук,
Афанасьев Г.Н.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук
CHANGING THE ENERGY PROPERTIES OF WOOD AT TORREFICATION
Levin A.B.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch,
associate Professor, PhD Malinin V.G.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch,
associate Professor, PhD Khromenko A. V.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch,
associate Professor, PhD Afanasyev G.N.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch,
associate Professor, PhD
Аннотация
Предложена зависимость для расчета изменения элементного состава вещества древесины при термической деструкции в инертной среде в форме уравнения линии в координатах диаграммы Ван Креве-лена. Предложены зависимости высшей теплоты сгорания, выхода летучих и относительной массы твердого остатка от его элементного состава. Показано, что в диапазоне от 0,6 до 0,5 атомного отношения О/С
существует максимум коэффициента эффективности конверсии, то есть относительное увеличение теплоты сгорания остатка с ростом доли углерода в элементном составе превосходит уменьшение массы вследствие выхода летучих. При этом коэффициент Т}эф > 1. Результаты исследования важны для понимания процесса термической деструкции древесины и полезны для проектирования установок торрефикации древесины при производстве пеллет. Abstract
The change in the elementary analysis of a wood substance under thermal degradation in an inert medium is considered. A dependence is proposed for the destruction curve in the Van Krevelen diagram. Dependences of the high heat value, the yield of volatile and relative mass of the solid residue on its elementary analysis are proposed. It is shown that in the range from 0.6 to 0.5 of atomic ratio O/C there is a maximum of conversion efficiency coefficient. A relative increase of the heat value of the residue with an increase of percentage of carbon in the elementary analysis is greater than the decrease in mass due to the volatilization and } > 1. The results of the
study are important for understanding the process of thermal destruction of wood and are useful for the design of wood torrefaction plants for the production of pellets.
Ключевые слова: древесина, конверсия биомассы, термическая деструкция, диаграмма Ван Креве-лена, торрефикация древесины, древесные пеллеты.
Key words: wood, biomass conversion, thermal destruction, Van Krevelen diagram, torrefikation of wood, wood pellets.
Торрефикация состоит в умеренном (не более 350оС) нагревании измельченной древесины в течение более или менее длительного времени в инертной среде. Считается, что таким способом можно получить массу с большей теплотой сгорания, так как относительное увеличение теплоты сгорания может оказаться больше, чем относительное уменьшение массы. Масса такого торрефиката меньше исходной сухой массы при равных значениях суммарной теплоты сгорания. За рубежом и в России выполнены многочисленные исследования процесса торрефикации с целью определения оптимальной степени деструкции древесины. Накоплен значительный экспериментальный материал, но общего взгляда на проблему не выработано.
В настоящей работе предлагается рассмотреть процесс торрефикации под углом зрения, впервые доложенным А.Б. Левиным на научно-технической конференции МГУЛ 31 января 2012 г. и опубликованном в [1, 2, 3].
Основные идеи обобщающего подхода сводятся к следующим положениям.
A. Сухая обеззоленная масса древесины может быть представлена как некое условное вещество с химической формулой С6Н9О4. Следует отметить, что подобный подход использован и в работе [4], посвященной исследованию процесса конверсии древесины при одновременном воздействии нагрева перегретым паром и электролиза.
B. Для сухой обеззоленной массы древесины выход летучих составляет 85,5%. Соответственно относительная масса углеродного остатка по окончании процесса деструкции равна 14,5%.
C. В состав обеззоленной сухой массы древесины входят только углерод (массовая доля 49,7%) водород (массовая доля 6,2%) и кислород (массовая доля 44,1 %). Для необработанной древесины атомное отношение (О/С) = 0,665; атомное отношение (Н/С) =1,497. По окончании процесса термической деструкции (О/С) = (Н/С) = 0.
D. Независимо от скорости процесса пиролиза древесное вещество проходит последовательно через одни и те же состояния. Другими словами,
форма линии функции (Н/С) = fO/С) не зависит от особенностей кинетики процесса, а определяется только начальным элементным составом. Это положение было предложено Ван Кревеленом [5] и нашло графическое выражение в известной диаграмме Ван Кревелена. Линия указанной выше функции может быть названа кривой метаморфоза древесины при изобарном нагреве в инертной среде.
E. Высшая теплота сгорания может быть рассчитана для исходной древесины, углерода по окончании процесса термической деструкции и любого промежуточного состояния по формуле Менделеева [6]
Qf = 339,5Cdaf + 1256Hdaf -108,8Odaf, кДж/кг. (1)
Работа состояла из следующих этапов.
A. Анализ экспериментальных данных об элементном составе древесной биомассы на различных стадиях термической деструкции и предложение обобщающей зависимости в координатах Ван Кре-велена.
B. Анализ экспериментальных данных о высшей теплоте сгорания древесной биомассы на различных стадиях ее термической деструкции, расчет относительного изменения этого свойства биомассы (теплового коэффициента конверсии п? [3]) и предложение обобщающей зависимости этой величины от атомного отношения (O/C).
C. Анализ экспериментальных данных о выходе летучих древесной биомассы на различных стадиях ее термической деструкции, пересчет этой величины в величину текущего значения относительной массы твердого остатка (массового коэффициента конверсии % [3]) и предложение обобщающей зависимости этой величины от атомного отношения (O/C).
D. Нахождение произведения п?= Пэф [3] и определение положения его максимума.
К настоящему времени работа по всем этапам, в основном, завершена. Результаты сводятся к следующему.
Траектория изменения элементного состава древесной биомассы (кривая метаморфоза) может быть описана с погрешностью, не превышающей погрешности исходных данных, уравнением
(О/С) = 0,2253 • (Н/С)2 + 0,125 • (Н/С). (2) Эта же зависимость в традиционной для диаграммы Ван Кревелена системе координат может быть записана как
(Н/С) = (- 0,125+(0,1252+4-0,2253-(О/С))0'5)/(2-0,2253) (3) Изменение высшей теплоты сгорания древесины с изменением элементного состава при пиролизе линейно и может быть представлено как
О^ __21,19 • (О/С) + 33,95 , МДж/кг, (4) что качественно совпадает с данными [7]. Соответственно, тепловой коэффициент конверсии
т1д = —1,067 • (О/С) + 1,71 . (5)
Опытные данные по выходу летучих для древесной биомассы при различных значениях отношения (О/С) немногочисленны. Однако вид зависимости выхода летучих из твердого остатка для промежуточных значений всего диапазона возможных значений 0<(0/С)<0,665 с достаточной точностью может быть получен из следующих более или менее очевидных соображений.
A. При (О/С) = 0,665 (необработанная древес-
п
ная биомасса) У®* = 0.855 и-= 0;
) 8(0 / С)
B. При (О/С) = 0 (процесс выхода летучих завершен) Vdaf = 0;
C. Функция Уаа = _ДО/С) монотонна, непрерывна и может быть представлена полиномом второй степени.
Тогда
= - 1,933-(О/С)2 + 2,571-(О/С) . (6) Имеющиеся опытные данные более чем удовлетворительно совпадают с зависимостью (6).
Теперь можно найти массовый коэффициент конверсии для любого промежуточного состояния древесной биомассы как
0,145
П =-- . (7)
8 1 — (- 1,933 •( О/С)2 + 2,57Ь( О/С))
Bычислив значения эффективного коэффициента конверсии Пэф= "Hq" % для различных значений (О/С) в интервале от О до О,665, можно заметить, что значение Пэф сохраняется около 1,0 при значениях (О/С) от О,665 до О,58, а при значении О,62 равно 1,02. При дальнейшем уменьшении отношения (О/С) происходит падение Пэф до 0,248 при (О/С) = 0.
Список литературы
1. Левин AX. Интегральная оценка эффективности производства жидкого топлива из древесной биомассы методом быстрого пиролиза.// Строение, свойства и качество древесины - 2014. Материалы V Международного симпозиума РКСД М.: ФГОУ BTO МГУЛ, 2015, - 232 с.
2. Левин A. Б., Aфанасьев Г.Н. Энергетический и материальный баланс процесса производства жидкого топлива из древесной биомассы методом быстрого пиролиза. Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», т. 2, Издательство ПГУ, 2017, С. 286 - 291.
3. Левин AX., Малинин BX., Хроменко A.B, Aфанасьев Г.Н. Оценка эффективности технологий конверсии древесной' биомассы в топливо с улучшенными потребительскими свойствами // The scientific heritage (Budapest, Hungary), No 17(17), Vol.1, 2017. P. 53...59.
4. Bernical Q., Joulia X., Noirot-Le Borgne I., Floquet P., Baurens P., Boissonnet G. Sustainabil-ity Assessment of an Integrated High Temperature Steam Electrolysis-Enhanced Biomass to Liquid Fuel Process// Ind. Eng. Chem. Res., 2013, 52 (22), pp 71897195.
5. Van Krevelen D.W., Shuyer J. Coal science -Amsterdam, Princeton N.J.: Elsevier Pub. Co., 1957, 352 p.
6. Левин AX. Энергетическое использование древесной биомассы: учебник/ A. Б. Левин, Ю.П. Семенов, BX. Малинин, A.B. Хроменко; под ред. AX. Левина. - М.: ИНФPA-M, 2016. - 199 с.
7. Ермоченков М.Г. Прогнозирование свойств термически модифицированной древесины. - М. : Горячая линия - Телеком, 2017. - 220 с.
ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДРОБИЛЬНЫХ МАШИН С ЦИКЛОИДАЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
Рабат О.Ж.
Казахская автомобильно-дорожная академия (КазАДИ) им. Л.Б. Гончарова, д.т.н., профессор, зав.
кафедрой «Транспортная техника и организация перевозок»
Ли С.В.
Казахская автомобильно-дорожная академия (КазАДИ) им. Л.Б. Гончарова, д.т.н., профессор
Салманова А.Н.
Екибастузский инженерно-технический институт им. академика К.Сатпаева, старший преподаватель, соискатель КазАДИ по кафедре «Транспортная техника и организация перевозок»
