CC BY
44
Р. Г. Хисматов, И. Н. Ковернинский, Р. А. Халитов,
Ю. Б. Грунин, С. Б. Якимович
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
ПРИ КОНДУКТИВНОМ ПОДВОДЕ ТЕПЛА
Ключевые слова: возобновляемый источник сырья, термическое разложение древесины, топливо.
Приведено описание установки, способ проведения эксперимента и приведены результаты исследования динамики термического разложения древесины при кондуктивном подводе тепла. Сделаны выводы на основании полученных данных сделан вывод о том, что давление внутри образца изменяется волнообразно и по изменению давления можно судить о скорости термохимических реакций в процессе термического разложения.
Keywords: a renewed source of raw ma terials, thermal decomposition of wood, fuel.
The installation description, way of carrying out of experiment is resulted and results of research of dynamics of thermal decomposition of wood are resulted at konduktivnom heat supply. Conclusions on the basis of the received data are drawn the conclusion that pressure in the sample changes wavy is drawn and on pressure change it is possible to judge speed of thermochemical reactions in the course of thermal decomposition.
В связи нарастающей проблемой загрязнения окружающей среды и с ростом потребностей человека, возникает востребованность в
экологически чистых, возобновляемых источниках сырья и энергии.
В мире значительно вырос интерес к химическому и энергетическому использованию целлюлозосодержащих материалов. В настоящее время наиболее перспективным, с экономической и экологической точек зрения, считается термическое разложение древесины с получением жидких продуктов, которые в могут быть использованы как заменители котельного топлива [1].
Изучение динамики процесса термического разложения древесины достаточно актуальное направление, которое позволит определить
рациональные режимы ведения процесса в
конкретной ситуации [2,3].
С этой целью была разработана и
изготовлена экспериментальная установка.
Экспериментальный стенд для исследования динамики термического разложения древесины состоит из: камеры термического разложения,
системы отвода продуктов термического разложения, системы управления, компьютера, баллона с азотом, компрессора, силового трансформатора. Камера термического разложения имеет герметичное исполнение и снабжена теплоизоляцией. Внутри камеры термического разложения установлен подъёмный столик, на котором закрепляется испытуемый образец. Подъемный столик с помощью штока жёстко соединён с резиновой мембраной, которая герметично закреплена в нижней части камеры термического разложения и образует пневматический толкатель со стенками нижней части камеры. В верхней части камеры термического разложения установлен низковольтный
электронагреватель. Электронагреватель включает в себя два медных электрода, один из которых выполнен в виде стакана, а другой установлен соосно с зазором, причём стакан заполнен графитовым
порошком, который выполняет роль нагревательного элемента. Внешняя сторона дна медного стакана усилена нержавеющей пластиной, в которую вмонтирован хромель-алюмелевый термопреобразователь. Сбоку напротив образца в камере термического разложения имеется загрузочное окно, через которое обеспечивается установка образца и измерительных датчиков. Также камера термического разложения снабжена двумя продувочными штуцерами, через которые осуществляется продувка инертным газом, и отводным штуцером, через который
осуществляется отвод парогазовой смеси, образующейся при термическом разложении образца. В нижней части камеры термического разложения, для обеспечения работоспособности подъёмного механизма, ниже уровня резиновой мембраны установлены нагнетательный и выпускной патрубки.
Система отвода продуктов термического разложения из камеры термического разложения состоит из конденсатора, газового расходомера и газгольдера. Система управления включает в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП), регулятор мощности, исполнительное устройство, нагнетательный и выпускной электроклапаны.
Экспериментальный стенд работает следующим образом. Предварительно
подготовленный образец определённых размеров и влажности через загрузочное окно камеры термического разложения устанавливается и фиксируется вместе с измерительными приборами на подъёмный столик. Далее, с целью предотвращения преждевременного теплового воздействия электронагревателя на образец, осуществляется его теплоизоляция сверху (со стороны кондуктивного теплового воздействия) путём установки экрана с высоким термическим сопротивлением и отражающим покрытием. Затем осуществляется нагрев нержавеющей пластины электронагревателем до заданного температурного
режима. По достижении требуемого температурного уровня электронагревателем удаляется
теплоизолирующий экран, осуществляется
герметизация камеры термического разложения, и удаляется воздух из камеры термического разложения с целью предотвращения возгорания образца. Для удаления кислорода воздуха из камеры и предотвращения последующего его попадания, камера термического разложения продувается азотом из баллона. По завершении кратковременной продувки азотом камеры термического разложения начинается процесс термического разложения образца при заданных режимных параметрах. Начало процесса характеризуется соприкосновением испытуемого образца с плоской нагретой до заданной температуры пластиной поверхности электронагревателя. Соприкосновение образца с нагретой поверхностью достигается путём перемещения по оси камеры подъёмного столика, который с помощью штока соединён с резиновой мембраной. Прогиб резиновой мембраны осуществляется за счёт подачи сжатого воздуха компрессором через нагнетательный штуцер в камеру термического разложения при подаче сигнала на впускной электроклапан, причём усилие прижима и скорость перемещения образца задаются регулятором давления компрессора (на схеме не показан). В ходе реакций термического разложения образца образуются продукты - уголь и парогазовая смесь. Парогазовая смесь за счёт разности давлений отводится из камеры термического разложения в конденсатор, где конденсируются жидкие продукты, а несконденсированный газ направляется в газгольдер через газовый расходомер.
В ходе эксперимента сбор данных и управление процессом осуществляется с помощью компьютера со специально разработанным программным обеспечением. Термическое разложение образца осуществляется в течение определённого промежутка времени - времени выдержки, которое задаётся программно и обеспечивается системой управления. Также в программной среде имеется возможность определения продолжительности открытия впускного и выпускного электроклапанов, температуры поверхности нагрева, либо программы её изменения в ходе эксперимента, а также частоты обновления и актуализации информации в диапазоне от 5 до 100 Гц.
Программа также позволяет в ходе эксперимента обеспечивать сбор данных через интерфейс АЦП с последующими их обработкой и сохранением в структурированную базу данных. АЦП при этом преобразует аналоговый сигнал с измерительных датчиков в цифровой, после чего он передаётся из памяти АЦП в буфер программы, где осуществляется его дальнейшая обработка. Управление электроклапанами, и регулятором мощности реализовано также через интерфейс ЦАП АЦП, цифровые выходы которого подключены к 4-х канальному исполнительному устройству.
На рассмотренном экспериментальном стенде осуществлялось исследование динамики плотности, температуры и давления по толщине образца в процессе термического разложения древесины.
Исследование динамики температур проводилось с использованием термопар на границах и внутри образца.
Обработанные экспериментальные данные позволили получить картину локально и пространственного распределения температуры в образце рис.1 и рис.2.
Полученные зависимости позволяют сделать вывод о нелинейном распределении температур во время процесса, в связи с изменением теплофизических свойств древесины.
Исследование динамики давления при термическом разложении древесины проводилось на основе экспериментальных данных.
После обработки видеофайлов получены зависимости локального избыточного давления в процессе термического разложения древесины по толщине рис.3, а также пространственное распределение давления в образце в различные моменты времени рис.4.
0 ----------------------------т------------т-------------.--------------------------.------------•
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 2500
(, се*
Рис. 1 - Зависимость локальной температуры в процессе термического разложения древесины
Ь, мм
Рис. 2 - Пространственное распределение
температуры в процессе термического разложения древесины
#7 Q s
m і' i$ n r -f4.
/w JdA. .
Рис. 3 - Зависимости локального избыточного давления в процессе термического разложения древесины по толщине
Рис. 4 - Пространственное распределение
давления в различные моменты времени
На основании данных, представленных на рис.3 и рис. 4, можно сделать вывод о том, что давление внутри образца изменяется волнообразно и по изменению давления можно судить о скорости термохимических реакций в процессе термического разложения [4].
Литература
1. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ I Р.Р.Сафин, Р.Г. Сафин II Весник Казан. технол. ун-та. - 2010.-№4. - 120-126 с.
2. Сафин, Р.Г. Тенологические процессы и оборудованиедеревообрабатывающих производств I Р.Г Сафин. - Казань: из-во КГТУ, 2000. - 400 с.
3. Макаров А.А. Термическое разложение древесины в
режиме быстрого абляционного пиролиза: дис. ... канд. техн. наук: 05.21.05, 05.21.03: защищена
28.10.2011: утв. 20.01.2012 I Макаров Александр Александрович. - Казань, 2011. - 146 с.
4. Хисматов Р.Г. Термическое разложение древесины при кондуктивном подводе тепла: дис. ... канд. техн. наук: 05.21.05, 05.21.03: защищена 27.12.2010: утв. 6.05.2011 I Хисматов Рустам Габдулнурович. - Казань, 2011. - 188 с.
© Р. Г. Хисматов - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; И. Н. Ковернинский - д-р техн. наук, проф., ООО «Управляющая компания объединённая бумажная фабрика», г. Москва; Р. А. Халитов - д-р техн. наук, проф. каф. оборудование химических заводов КНИТУ; Ю. Б. Грунин - д-р хим. наук, проф. кафедры физики МарГТУ; С. Б. Якимович - д-р техн. наук, доц. каф. технологии и оборудование лесопромышленных производств.
