CC BY
104
УДК 662.712
Д.Е. Горбунов
К ВОПРОСУ ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АППАРАТОВ ДЛЯ ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ С ВНУТРЕННИМ НАГРЕВОМ
Освещается вопрос о целесообразности использования аппаратов пиролиза древесины с внутренним нагревом. Рассмотрены различия в процессах с внутренним и внешним нагревом аппаратов пиролиза, приведены сравнения выхода газообразных продуктов при углежжении и передачи тепла от теплоносителя к древесине. Приведено техническое решение, позволяющее улучшить эффективность работы и защитить аппараты пиролиза с внутренним нагревом.
Внутренний нагрев аппаратов пиролиза, внешний нагрев аппаратов пиролиза, применение покрытия эмалью, характеристика процесса пиролиза древесины.
D.Ye. Gorbunov INTERNAL HEATING WOOD PYROLYSIS DEVICES USAGE EFFICIENCY
The author studies the questions of expediency of use of devices of wood pyrolysis with internal heating. He considers distinctions in processes with internal and external heating of devices of pyrolysis and gives comparisons of an exit of gaseous products at coal-burning and transfers of heat from the heat-carrier to wood. He presents a technical decision allowing to improve an overall performance and to protect devices ofpyrolysis with internal heating.
Internal heating wood pyrolysis device, external heating of pyrolysis device, application of a covering by enamel, wood pyrolysis processes characteristics.
Пиролиз древесины - процесс деструкции высокомолекулярных компонентов древесины с образованием низкомолекулярных продуктов, сопровождающийся вторичными реакциями конденсации, рекомбинации и другими реакциями усложнения молекул с образованием нелетучего остатка, под воздействием тепла в среде, практически не содержащей кислорода.
Процесс пиролиза древесины можно разделить на четыре стадии:
1. Стадия сушки древесины, заканчивающаяся примерно при 150°С. На этой стадии из древесины удаляется содержащаяся в ней влага, химический состав древесины почти не изменяется и летучих продуктов практически не образуется.
2. Начальная стадия распада древесины, протекающая при температуре от 150 до 250-270°С. В этот период начинается разложение менее термостойких компонентов древесины с выделением реакционной воды, углекислоты, окиси углерода, уксусной кислоты и некоторых других продуктов, изменяется химический и элементный состав.
Обе стадии экзотермичны и идут лишь при подводе тепла.
3. Стадия собственно пиролиза - бурного распада древесины с выделением тепла (экзотермический процесс) и образованием основной массы продуктов разложения. Начинается она при 270-275°С и заканчивается примерно при 400°С.
4. Стадия прокалки угля (не считая охлаждения угля), заканчивающаяся в зависимости от аппарата и способа пиролиза при температуре 450-600°С. При этом выделяется небольшой объем жидких продуктов и значительный - газов. Осуществляется также за счет подвода тепла извне.
Общая характеристика процесса пиролиза древесины в аппарате (реторте) периодического действия с внешним нагревом наглядно показана на рис. 1. Кривые изменения температур показывают, что, несмотря на начальное значительное повышение температуры снаружи реторты, температура внутри ее долгое время остается в пределах 150°С (пока не закончится процесс сушки). Затем температура внутри реторты быстро поднимается и, когда начинается бурное экзотермическое разложение, становится выше температуры снаружи реторты. После завершения выделения основного объема жидких и газообразных продуктов температуру снаружи повышают, начинают прокалку угля, выделение жидких продуктов в этот период уменьшается, а под конец почти полностью прекращается [1].
Для нагрева древесины при пиролизе применяются два способа передачи тепла: внешний нагрев с передачей тепла через стенку и внутренний нагрев с передачей тепла от греющего агента непосредственно древесине. В качестве внутреннего теплоносителя
могут служить газы (парогазы), жидкости и твердые тела.
Рис. 1. Динамика изменения показателей процесса пиролиза древесины:
1 - температура снаружи реторты; 2 - температура внутри реторты; 3 - дифференциальная
кривая
выделения газов пиролиза; 4 - дифференциальная кривая выделения жидких продуктов пиролиза
Рис. 2. Схема передачи тепла к древесине через стенку реторты при внешнем газовом нагреве:
1 - газовый теплоноситель; 2 - стенка реторты; 3 - парогазовая среда в реторте;
4 - поверхность куска древесины; 5 - центр куска древесины
Рассмотрим процесс передачи тепла древесине при используемом сейчас в промышленных аппаратах внешнем и внутреннем газовом нагреве. При внешнем нагреве (рис. 2) процесс передачи тепла от топочных газов древесине осуществляется в следующей последовательности: от газа к стенке реторты, от стенки к парогазовой среде внутри реторты и от парогазов к древесине. Тепло от топочного газа, имеющего температуру 800 - 900 °С, к стенке реторты передается, в основном, путем конвекции, и, в меньшей степени, лучеиспусканием. Вследствие термического сопротивления, создаваемого газовой пленкой около стенки, температура последней значительно ниже температуры газового теплоносителя и равна приблизительно 600-650°С. Стенка реторты благодаря хорошей теплопроводности стали имеет почти одинаковую температуру по всей толщине. При передаче тепла от стенки к парогазовой смеси внутри реторты тепловой поток снова преодолевает сопротивление газовой пленки. Так как скорость движения газов внутри реторты ниже, чем топочных газов около наружной стенки, а также ниже температура теплопередающего тела, коэффициент теплопередачи от стенки парогазам и конвекцией и лучеиспусканием будет меньше, чем от топочных газов стенке. Следовательно, температурный перепад будет еще больше. Практически парогазы внутри реторты нагреваются до 450-500°С. Последним сопротивлением на пути теплового потока к древесине является газовая пленка около поверхности куска древесины. От внешней поверхности к внутренним слоям древесины тепло передается путем теплопроводности клеточной стенки, конвекцией парогазов в полостях и лучеиспусканием от более нагретой клеточной стенки к менее нагретой. Температура от наружной поверхности к центру куска падает. Поэтому пиролиз куска древесины происходит постепенно: поверхность может обуглиться, в то время как внутри может происходить еще сушка. Чем мельче кусок, тем равномернее и быстрее прогревается древесина.
При внутреннем газовом нагреве процесс передачи тепла древесине значительно упрощается. Теплоноситель вводится прямо в реторту и контактирует непосредственно с древесиной. Единственным термическим сопротивлением в этом случае является газовая пленка около поверхности куска древесины. Поэтому эффективность подвода тепла к древесине при внутреннем теплоносителе значительно выше [2].
Для интенсификации процесса пиролиза древесины необходимо увеличить количество подводимого к древесине тепла, повышая температуру теплоносителя (газовой среды) около древесины или увеличивая его поток. При внешнем нагреве объем парогазов внутри реторты не регулируется, следовательно, интенсификация процесса возможна
только за счет повышения их температуры. Но возможности повышения температуры парогазов внутри реторты выше 450-500°С ограничены тепловой стойкостью конструкционного материала - стали. При повышении температуры стенки выше 700°С происходят ее размягчение и деформация и интенсивное окисление, что приводит к преждевременному износу оборудования. Измельчение древесины с целью увеличения тепловоспринимающей поверхности не ведет к интенсификации процесса, так как поверхность дров или тюлек и так значительно больше теплопередающей поверхности стенок реторты. Таким образом, при внешнем нагреве возможности для интенсификации процесса отсутствуют.
При внутреннем нагреве температура газового теплоносителя достигает 650-700°С, удельный расход его на единицу массы древесины выше, чем в аппаратах с внешним нагревом, следовательно, тепла подводится в аппарат значительно больше. Да и интенсивность передачи этого тепла к древесине вследствие более высокой скорости омывания куска также выше. Лимитирующим интенсификацию фактором становится величина тепловоспринимающей поверхности древесины. Поэтому при внутреннем нагреве древесину целесообразно измельчать.
Благодаря отмеченным преимуществам внутреннего газового нагрева удельная производительность реторт, работающих по этому принципу, в 5-6 раз выше производительности реторт внешнего нагрева при одинаковой степени разделки древесины.
При использовании в качестве внутреннего теплоносителя перегретого водяного пара процесс теплопередачи не имеет принципиальных отличий от процесса при внутреннем газовом нагреве. В качестве внутреннего теплоносителя можно применять также жидкости и твердые тела.
Полученные в результате пиролиза пары смолы, уксусную кислоту, газы и кокс можно сжигать. При их сгорании выделяется огромное, по сравнению с затраченным на нагрев топлива, количество тепла. Процессы горения могут быть выражены с помощью химических уравнений, показывающих, в каких соотношениях и как взаимодействуют отдельные вещества. В правой части уравнения указывается тепловой эффект реакции, т. е. количество тепла, выделяемое при реакции. Д.Б. Гинзбург приводит уравнения горения некоторых веществ. Указанные вещества входят в состав выходящих продуктов при внешнем нагреве древесины в замкнутой ёмкости.
С+02=С02+7940 ккал/кг С, или 33190 кДж/кг;
Н2+1/2О2=Н2О+2579 ккал/нм3 Н2, или 10780 кДж/нм3;
С0+1/202=С02+3018 ккал/нм3 СО, или 12615 кДж/нм3;
СН4+2О2= СО2+2Н2О+8555 ккал/нм3 СН4, или 35760 кДж/нм3;
С2Н4+302=2С02+2Н20+14107 ккал/нм3 С2Н4 (этилен), или 58967 кДж/нм3.
Для сравнения, теплотворная способность дерева влажностью 30% составляет: Qд = 12600 кДж/кг = 12,6 МДж/кг = 3011 ккал/кг [3].
Выход и свойства летучей части и твердого остатка существенно зависят от способа подвода тепла, от температуры и скорости пиролиза. Обычно это осуществляется в аппаратах с внешним нагревом или в аппаратах с внутренним теплоносителем. Э. Д. Левин приводит таблицу, в которой показывает выход и состав газов при внешнем и внутреннем нагреве древесины в замкнутой ёмкости. Окислительные реакции происходят за счёт кислорода, выделяющегося при разложении органической массы пиролизируемого топлива. При повышении температуры пиролиза увеличивается выход газов, в основном, за счёт увеличения окиси углерода, водорода, метана и уменьшается выход твердых продуктов. Уменьшается выход двуокиси углерода и азота, нежелательных примесей в газе сухой возгонки. Увеличивается его теплотворная способность и уменьшается плотность.
Характеристика газов, получаемых в аппаратах с разным способом нагрева
Аппарат Состав газа, % Теплотворная способность, Дж/м3
CN О С œ С^ CnHm H2 O2 N2
С внутренним нагревом 28,1-28,8 14,0-17,0 2,0-6,0 0,4-0,9 6,8-8,3 0,3-0,4 44,2 (3,9-4,9)-106
С внешним нагревом 47,7 16,9 9,7 1,5 17,0 0,4 6,8 8,3-106
Высокое содержание азота и двуокиси углерода в газе, полученном при температуре 400°С, объясняется тем, что при пиролизе, за счёт сильно развитой поверхности сырья, вносится много адсорбированного воздуха. При этой температуре низок выход газа, так как воздух разбавляет газ и он не выжимается из-за слабого гидростатического подпора.
При высоких температурах разбавление газа слабее и выжимание его сильнее. При температуре 700°С гидростатический (гравитационный) напор очень велик.
При температурах выше 400°С образование двуокиси углерода (СО2) не является продуктом окислительной реакции, а это результат взаимодействия паров воды с раскаленным углем. В результате такого взаимодействия образуется также водород. В этом случае речь идет о внешнем нагреве сырья в замкнутой ёмкости [4].
Из вышеперечисленных фактов можно сделать вывод, что использовать аппараты с внутренним нагревом намного эффективнее, чем с внешним. Выделившиеся газы во время протекания процесса пиролиза необходимо использовать для вторичного сжигания. Несмотря на то, что при внутреннем нагреве теплотворная способность газов значительно выше, чем при внутреннем, прогрев древесины в первом случае происходит более равномерно, без перекалки угля у стенок аппарата. Кроме того, при внутреннем нагреве наносится меньший вред корпусу аппарата, т.к. конечная температура пиролиза ниже. В связи с этим фактом, для увеличения эффективности использования тепла, подводимого внутрь реторты, было предложено следующее техническое решение: покрыть внутреннюю часть реторты термостойкой эмалью. Как известно, теплопроводность термостойких эмалей меньше теплопроводности сталей, использующихся для изготовления аппаратов углежжения, в 15-25 раз, а, следовательно, значительно уменьшается теплообмен с окружающей средой. При этом увеличивается эксплуатационный срок аппарата пиролиза, т. к. не происходит прогара стенок реторты, защищенных эмалью [5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Технология лесохимических производств / В. А. Выродов, А.Н. Кислицын, М.И. Глухарева и др. М.: Лесная промышленность, 1987. 352 с.
2. Гордон Л.В. Технология и оборудование лесохимических производств / Л. В. Гордон, О.В. Скворцов, В.И. Лисов. М.: Лесная промышленность, 1988. 360 с.
3. Гинзбург Д.Б. Газификация твердого топлива / Д.Б. Гинзбург. М.: Госстройиздат, 1958. 280 с.
4. Левин Э.Д. Теоретические основы производства древесного угля / Э.Д. Левин. М.: Лесная промышленность, 1980. 151 с.
5. Пат. 2366685 Российская Федерация. Печь для пиролиза древесных отходов / В.В. Цыплаков, Д.В. Цыбаев, Д.Е. Горбунов; заявл. 08.10.07; опубл. 10.09.09; Бюл. № 25.
Горбунов Денис Евгеньевич - Gorbunov Denis Yevgenyevich -
аспирант кафедры «Механизация лесного Post-graduate student of the Department
хозяйства и лесомелиорация» of «Mechanization of the Wood Economy
Саратовского государственного аграрного and Forest Melioration» of Saratov State
университета им. Н.И. Вавилова Agrarian University in the name of N.I. Vavilov
Статья поступила в редакцию 14.01.10, принята к опубликованию 08.04.10
