CC BY
210
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 66.092-977
Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, И. И. Хуснуллин
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ В УСТАНОВКЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ
Ключевые слова: пирогенетическая переработка, пиролиз, древесина, отходы деревопереработки, производство, древесный уголь, биомасса, биоэнергетика, оптимизация процесса, продукты пиролиза, вертикальная реторта, пирогазы, жижка, сушка, тепловая труба, сырье, эффективность процесса, качество угля, установка,
энергоносители, математическая модель.
Проведен анализ современного состояния процесса пиролиза органических веществ. Дано описание зоны пиролиза установки для производства древесного угля, разработанной на кафедре «Переработки древесных материалов». Представлена математическая модель для описания процесса пиролиза в установке для производства древесного угля.
Keywords: pyrogenetic processing, pyrolysis, wood, waste wood processing, production, charcoal, biomass, bioenergy, the optimization process, the pyrolysis products, vertical retort, pyrolysis, zizka, drying, heat pipe, raw materials, process efficiency, coal quality, installation and energy costs, mathematical model.
The analysis of a current state of pyrolysis process of organic substances is carried out. The description of pyrolysis zone of installation for manufacture of the charcoal, developed on chair «Processing of wood materials» is given. The mathematical model for the description of pyrolysis process in installation for charcoal manufacture is presented.
При переработке древесины ежегодно накапливается примерно 70 млн. т древесных отходов. Несмотря на наличие таких огромных древесных ресурсов, к настоящему времени, доля получаемой из них энергии не превышает 2 %. Одним из направлений является пирогенетическая переработка древесных отходов [1]. Компоненты древесины - весьма ценное химическое сырье, из которого можно получить не только продукты нефтехимического синтеза, но и уникальные соединения, например, биологически активные вещества [2]. Получение продуктов из древесины путем воздействия высокой температурой относится к числу древнейших технологий в истории человечества [3, 4]. Аппаратов для термического разложения древесины создано множество. Некоторые из них продолжают работать в настоящее время. Другие, еще недавно использовавшиеся в промышленности, теперь потеряли свое значение. Еще больше таких, которые остались в патентах, конструкторских разработках, опытных установках.
На кафедре «Переработки древесных материалов» тема пиролиза древесины изучается с 2005 года. Проведены исследования по темам: термическая переработка отходов деревообрабатывающих предприятий, математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды [5], утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза [6], термическое разложение древесины при кондуктивном подводе тепла, быстрый пиролиз древесины в абляционном режиме [7].
В настоящее время на кафедре разработана установка для производства древесного угля, позволяющая получить древесный уголь и жидкие продукты пиролиза. Установка выполнена в виде непрерывно действующей вертикальной реторты [8].
Технологическое сырье 5, прогретое в зоне сушки до 200 °С, через барабанный питатель 3 поступает в зону пиролиза 2 вертикальной реторты 1, где температура сырья 5 возрастает до 350 °С за счет тепловой трубы 6, а затем до 500 °С за счет тепла,
выделяющегося в процессе экзотермических реакций. В зоне пиролиза 2 происходит выделение пирогазов и образование угля. Из зоны пиролиза 2 образовавшиеся пирогазы отводятся через патрубок 7, а уголь через барабанный питатель 4 поступает в следующую зону.
Рис. 1 - Зона пиролиза Рис. 2 - Тепловая труба
Тепловая труба 6 (см. рис. 2) представляет собой две системы, сообщающиеся между собой трубами 10, выполненные из соосно расположенных трубных тепловых рубашек 8, 9. Верхняя система (из трубных тепловых рубашек 8) находится в верхней части зоны пиролиза
3. Полость нижней системы на четверть заполнена теплоносителем. В качестве теплоносителя используется полиэтиленгликоль, имеющий низкое парциальное давление паров.
Для описания процесса пиролиза в установке выбирается модель, представленная на
рис.3.
Реакции разложения можно представить в виде соотношений:
для древесины дра _ (к1 + кд + к1з )ра
дИ wi
для промежуточного остатка
дРв _ к1в Ра ~ кс (2)
(2)
дИ W м
м
для угля дЯ _ кс Р + кс2Р?
дИ w м
(3)
Предполагается, что в качестве сырья для пиролиза используются частицы древесины в виде технологической щепы. Поскольку технологическая щепа представляет собой пластинки с поперечными волокнами (теплопроводность непиролизованной древесины вдоль волокон составляет примерно в 2,4 раза больше теплопроводности в радиальном или тангенциальном направлении [9]), то можно рассматривать одномерную симметричную задачу с проводящими свойствами вдоль волокон и толщиной равной длине этих волокон Ь=а/соБу (см. рис.4).
Рис. 4 - Схема идеализированной технологической щепы
Сохранение массы каждого компонента определяется массовым потоком в газовой фазе и реакциями разложения. Массовый поток каждого вида газа состоит из конвективного потока газа и диффузионного потока между другими видами газов. Однако, влияние диффузии очень мало по сравнению с конвекцией, поэтому рассматривается только конвективный поток массы. Также предполагается, что объемная усадка не происходит. В связи с вышеперечисленным уравнения материального баланса можно записать соотношениями:
для смолы
д(£Р г) __1_ д(Ур 1) + к Р а ~ (кс2 + кд2 )Р Г (4)
дИ wi дх wi
для газа
д( ер) _ 1 д(Ур,) + кдД + кд2 й
дИ w м дх w м
м м
где є - пористость, рассчитываемая как £=1-(р3/р\« )*(1-^). Здесь, р3 и ри - средняя плотность твердой фракции и плотность натуральной древесины, - начальная пористость древесины,
£\« = 0,4 [10].
Кинетические параметры представленной модели приведены в табл.1.
Таблица 1 - Кинетические параметры и удельная теплота термического разложения [11]
Реакции 1 д ІБ с с2 д2
А (с-1) Е (Дж/моль) ДИ (кДж/кг) 1,08х1010 148000 80 4,38х109 152700 80 3,75х106 111700 80 1,38х1010 161000 -300 1,0х105 108000 -42 4,28х106 108000 -42
Так как структура древесины и угля состоит из многочисленных крошечных пор, на газообразные компоненты текущие внутри пор действуют силы вязкости. Таким образом, скорость V газообразных компонентов потока рассчитывается по закону Дарси:
V _- ^, (6)
д дх
где ^ - динамическая вязкость газообразных компонентов.
Проницаемость КПр частично пиролизованного сырья линейно интерполирована между углем и натуральной древесиной:
Кпр _ (1 - ПКпр^ + Ппр,с , (7)
где степень пиролиза П=1-(Ра+Р1э)/ pw [11].
Общее давление определяется как сумма парциальных давлений смолы и газа, которые, предполагается, при температурах пиролиза ведут себя как идеальные газы.
р _р' + рд; р _ РМ1, <8)
где М и К - молекулярный вес и универсальная газовая постоянная.
Совместно решив уравнения (4) - (8) получаем дифференциальное уравнение,
описывающее изменение давления:
_д_
дИ
ґ
г к „„Р дР ^
„„
^Т дх
+ •
1 w м
у м
КР -(кс2 + МД + кдР + кд2р
М( + Мд
(9)
V "ч "'д у
Изменение теплосодержания в элементарном объеме обуславливается теплопроводностью, конвективным потоком компонентов газовой фазы и выделением теплоты реакции пиролиза. Для получения уравнения энергии предполагается локальное термодинамическое равновесие между компонентами газовой и твердой фазы.
/ \ и 1 К р а + ^ р1з + Сс рс + єСр1р 1 + єСрдр д)^Т +
дТ (Ср(р( + СрдРg)V дТ
рдКд' дИ + wi дх
1 дТ ,дТ _
-(А—) + О. (6)
wм дх дх'
О _ -(к,ЛИ, + кд АИд + к|5А1\ )ра - кс А^р* - (кс2 АИ^ + кд2 АИд2 )р,. (7)
Первичные реакции разложения древесины на смолу, газы и промежуточный остаток имеют эндотермическое тепло пиролиза ЛИ,=ЛИд=ЛИ|3=80 кДж/кг, а на втором этапе, при экзотермической реакции, реакция разложения промежуточного остатка на уголь имеет ДИС=-300 кДж/кг, а для реакции крекинга смолы теплота пиролиза ДИС2=ДИд2=-42 кДж/кг [11].
Удельная теплоемкость с твердых компонентов и удельная изобарная теплоемкость Ср для газообразных компонентов являются функциями температуры, как показано в табл.2. Эффективная теплопроводность Л в любой момент времени рассчитывается как взвешенная
54
сумма теплопроводностей натуральной древесины, угля и летучих газов с учетом излучения тепла через поры [9]:
1 /- л 1 1 1 13.5а • Т3с1
Я_(1 - т) ^ п Д+ е Я+---------------, (8)
е
где а, е и С - постоянная Стефана-Больцмана, степень черноты тела и размер пор, соответственно.
Поток тепловой энергии через границу поверхности частицы древесины определяется условиями внешнего конвективного и радиационного теплообмена:
дТ
- Л дт _ 4Тд - Т) + о е5(Тг4 - Т4); (х _ х0). (10)
дх
Степень черноты твердой фракции рассчитывается из уравнений [10]:
Г
ес _ е,„ Тс < 450К
Б
Т - 450
еБ _ ew + -^--------(ес - ew) 450К < Т5 < 550К (11)
5 w 550 - 450 с 5
е5 _ ес 550К < Т
Коэффициент теплоотдачи а=20 Вт/(м -К) [11].
Свойства материала и параметры реакций, используемые в уравнениях, перечислены в
табл.2.
Таблица 2 - Свойства материала и кинетические параметры реакций [12-16]
Параметр Значение
630 (кг/м3)
1500+1,0Т (Дж/кг К)
сс 420+2,09Т+6,85х 10"4Т2 (Дж/кг К)
ср, -100+4,4Т-1,57х10"3Т2 (Дж/кг К)
срд 770+0,629-1,91х10"4Т2 (Дж/кг К)
сру К) /кг ж/ (Д д р с 5 0, + р, с 5 ,8 0,
С 5х10'5(1-п)+1х10'4п (м)
е 1
а 5,67х10-8 (Вт/м2 К4)
^, вдоль 0,1046 (Вт/м К)
Лv 0,0258 (Вт/м К)
Лс,вдоль 0,071 (Вт/м К)
Kпр,w 5х10"16 (м2)
Кпр,с 1х10"13 (м2)
ew 0,7
ес 0,92
а 20 (Вт/м2 К)
м 3,0х10-5 (кг/м с)
Мд 0,038 (кг/моль)
М, 0,11 (кг/моль)
Mv 0,076 (кг/моль)
К 8,314 (Дж/моль К)
Условные обозначения:
A - предэкспоненциальная константа, с-1; a - длина волокон, м; b - толщина щепы, м; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) ; ср - изобарная удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); d - размер пор, м; e - степень черноты; E - энергия активации, Дж/(моль-К); h -высота слоя, м; Кпр - проницаемость, м2; k - константа скорости реакции, с-1; М -молекулярный вес, кг/моль; Р - давление, Па; Q - приток теплоты, Вт/м3; R - универсальная газовая постоянная, R = 8,314 Дж/(моль-К) ; T - температура, К; Tf - температура реторты, К; V - скорость потока, м/с; WM - скорость материала, м/с; x - координата по толщине, м; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К) ; Y - угол наклона волокон (град.); £ - пористость; п - степень пиролиза; Ah - теплота пиролиза, Дж/кг; Л - теплопроводность, Вт/(м-К); ^ - динамическая вязкость, кг/(м-с); р - плотность, кг/м3; о - постоянная Стефана-Больцмана, о = 5,67х10-8 Вт/(м2-К).
Подстрочные знаки:
a - непиролизованая древесина; с - уголь (первичная реакция); с2 - уголь (вторичная реакция); f -реторта; g - газ (первичная реакция); g2 - газ (вторичная реакция)
is - промежуточный остаток; s - твердая фракция; t - смола; v - газы; w - натуральная древесина; 0 -начальные условия.
Литература
1. 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 Казан. технол. ун-та. - 2010. - №4. - С. 120-130.
2. Сафин, Р.Р. Экспериментальные исследования переработки древесной зелени хвойных пород / Р.Р. Сафин, А.Е. Воронин, Д.Ф. Зиатдинова // Вестник МГУЛ. - 2010. - №4. - С. 87-91.
3. Выродов, В.А. Технология лесохимических производств / В.А. Выродов и др. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 352 с.
4. Славянский, А.К. Химическая технология древесины / А.К. Славянский, В.И. Шарков, А.А. Ливеровский и др. - М.: ГОСЛЕСБУМИЗДАТ, 1962. - 576 с.
5. Сафин, Р.Р. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, И.А. Валеев // Вестник МГУЛ. - 2005. - №2. - С. 168-174.
6. Исхаков, Т.Д. Энерго- и ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза / Т.Д. Исхаков, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, Р.Г. Сафин // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2008. - № 11-12. - С. 16-20.
7. Грачев, А.Н. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме / А.Н. Грачев, Р.Г. Хисматов, Р.Г. Сафин, В.Н. Башкиров // Известия Самарского научного центра РАН. - 2008. -Специальный выпуск - С. 25-29.
8. Тимербаев, Н.Ф. Современное состояние процесса пирогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И. Хуснуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. -Т. 14, №3. - С. 169-173.
9. Blasi, C.D. Heat momentum, Heat, momentum, and mass transport through a shrinking biomass particle exposed to thermal radiation / C.D. Blasi // Chemical Engineering Science. - 1996. - №7 (51). - С. 1121-1132.
10. Galgano, A. Modeling wood degradation by the unreacted-core-shrinking approximation / A. Galgano, C.D. Blasi // Industrial & Engineering Chemistry Research. - 2003. - №10 (42). - С. 2101-2111.
11. Park, W.C. Experimental and theoretical investigation of heat and mass transfer processes during wood pyrolysis / Won Chan Park, Arvind Atreya, Howard R. Baum // Combustion and Flame. - 2010. - №157. -С.481-494.
12. Gronli, M.G. Mathematical model for wood pyrolysis - comparison of experimental measurements with model predictions / M.G. Gronli, M.C. Melaaen // Energy & Fuels. - 2000. - №4 (14). - С. 791-800.
13. Chan, W.-C.R. Modelling and experimental verification of physical and chemical processes during pyrolysis of a large biomass particle / W.-C.R. Chan, M. Kelbon // Fuel. - 1985. - №11 (64). - С. 1505-1513.
14. Blasi, C.D. Analysis of convection and secondary reaction effects within porous solid fuels undergoing pyrolysis / C.D. Blasi // Combustion Science and Technology. - 1993. -№30. - С. 315-340.
15. Blasi, C.D. Modelling the fast pyrolysis of cellulosic particles in fluid-bed reactors / C.D. Blasi // Chemical Engineering Science. - 2000. -№24 (55). - С. 5999-6013.
16. Kansa, E.J. Mathematical model of wood pyrolysis including internal forced convection / E.J. Kansa, H.E. Perlee, R.F. Chaiken // Combustion and Flame. - 1977. - №29. - С. 311-324.
© Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, tnail@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КГТУ, safin_rg@kstu.ru; И. И. Хуснуллин - асп. той же кафедры.
