CC BY
71
УДК 66.092-977
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.153
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ПИРОЛИЗНОЙ ЗОНЕ
А.В. Сафина, канд. техн. наук, доц. Н. Ф. Тимербаев, д-р техн. наук, проф. Д. Ф. Зиатдинова, д-р техн. наук, проф. Р.Г. Сафин, д-р техн. наук, проф. А.Р. Хабибуллина, ассистент
Казанский национальный исследовательский технологический университет,
ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Республика Татарстан, Россия, 420015;
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
В настоящее время в стране заготавливается около 200 млн м3 древесины. При этом на всех стадиях процесса (от заготовки до переработки древесного сырья) образуется большое количество отходов, которые не находят применения и оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду. Одним из возможных направлений переработки таких отходов является их пиролиз. Выход продуктов пиролиза зависит от внешних условий и свойств сырья. Приведено описание установки, разработанной для производства активированного угля из древесной щепы. Установка выполнена в виде шахты, в ней имеется зона пиролиза, работающая в периодическом режиме. В нижней части пиролизной зоны расположены нагревательные элементы, прогревающие технологическую щепу до начала интенсивных экзотермических реакций. Нагревательным элементам тепловая энергия передается с помощью тепловой трубы, размещенной в древесном угле после стадии активации, имеющем температуру около 800 оС. С использованием этой установки из древесных отходов получаются ценные продукты, пользующиеся большим спросом в промышленности, и решается экологическая проблема многих деревоперерабатывающих предприятий - утилизация отвалов. На основе анализа физической картины и формализации процесса пиролиза в установке производства активированного угля разработана математическая модель процесса, позволяющая рассчитать общее время, затраченное на переработку древесных отходов, и основные конструктивные параметры установки.
Ключевые слова: математическая модель, тепломассоперенос, древесный уголь, пиролиз, активация, газовый поток.
Введение
Проблемами деревообработки на современном этапе являются низкая эффективность использования древесного сырья, высокие энергозатраты на переработку вторичных биоресурсов, связанные с отсутствием энергосберегающего оборудования и методик для его расчета. К существующим перспективным направлениям переработки древесных отходов относится термохимическое с получением активированного угля [2, 3, 6, 7].
Для цитирования: Сафина А.В., Тимербаев Н.Ф., Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Г., Хабибуллина А.Р. Моделирование тепломассопереноса в пиролизной зоне // Лесн. журн. 2019. № 1. С. 153-160. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.153
При термохимической переработке протекают взаимосвязанные процессы тепломассопереноса, осложненные химическими превращениями, состоящими из множества параллельно протекающих реакций, в которых эндотермические процессы со стоком тепловой энергии сменяются экзотермическими [1, 12, 13].
Вопросам пирогенетической переработки древесных материалов посвящены исследования отечественных и зарубежных ученых.
В связи с повышенной сложностью процессов, происходящих при термическом разложении древесины, отсутствуют единые методы расчетов технологических процессов и аппаратов непрерывной пирогенетической технологии переработки древесных отходов в активированный уголь.
Объекты и методы исследования
На кафедре переработки древесных материалов Казанского национального исследовательского технологического университета создана установка для переработки древесных отходов в активированный уголь (см. рисунок) [1, 5].
Установка состоит из вертикальной реторты 2, в которой за счет гравитационных сил происходит движение древесных отходов через зоны предварительного нагрева 3, сушки 4, пиролиза 5, активирования 7, охлаждения 9,10 с превращением отходов в активированный уголь, системы сепарации пиро-лизных газов, топочное устройство 22, системы газоочистки 21, рекуперативные теплообменники 8, 14. Готовый продукт охлаждается в две ступени: на первой ступени тепло от активированного древесного угля отводится с помощью тепловой трубы 6 на нагрев древесных частиц в зонах пиролиза 5 и предварительного нагрева 3.
При сепарации в конденсаторах смешения 15, 23 пиролизные газы разделяются на высоко- и низкокипящие фракции. Неконденсирующиеся газы сжигаются в топке 22. Тепловая энергия топочных газов расходуется на производство перегретого пара для проведения процессов сушки древесных частиц и активации угля. Окислитель перед подачей в топку подогревается за счет конвективного охлаждения активированного угля на второй ступени и кондуктивного охлаждения топочного газа в рекуперативном теплообменнике 8. Для охлаждения хладагента в конденсаторах смешения используют отработанный абсорбент из насадочной колонны 21.
Технологические зоны реторты 3, 4, 5, 7, 9, 10 разделены шиберными заслонками 12, 13, 16, 19, 20 и изолированы от окружающей среды секционными питателями 1, 11.
В разделительном аппарате 17 жижка охлаждается отработанным абсорбентом и паровая фаза пиролизных газов разделяется на смесь высоко- и низкокипящих компонентов.
Сжиженные высококипящие компоненты с температурой кипения более 100 °С собираются в емкость 18, а обезвоженные низкокипящие компоненты (температура кипения менее 100 °С) - в емкость 24.
Для запуска установки и поддержания требуемого теплового баланса предусмотрена подача в топку природного газа.
В результате активирования свободная поверхность древесного угля увеличивается от 100...150 м2/г до 600...900 м2/г, что приводит к возрастанию сорбционной активности готового продукта [1, 2].
Установка для производства активированного угля Activated carbon plant
Результаты исследования и их обсуждение
Математически процесс пиролиза в установке описан нами следующим образом.
Температурное поле в технологических зонах установки определяется уравнением теплопереноса [8, 10, 11], которое описывает изменение во вре-мени(т) температуры материала по слоям [1, 4, 6]. Для одномерного слоя имеем:
8Т 8Т„,
РслСсл
8т
8h
8Т
эф
8h
(1)
где рсл - насыпная плотность слоя материала, кг/м ; ссл - теплоемкость насыпного слоя материала, Дж/(кгК); Тсл - температура слоя, °С; к - координата частицы в слое, м; - эффективный коэффициент теплопроводности слоя
материала, Вт/(м К); дсл - удельный поток тепла, Дж/м с, определяемый прогревом материала и протекающими химическими реакциями, дсл = + дхр;
qH - сток тепла на прогрев материала, Дж/(м2с); qw - сток (приток) тепла за счет химических реакций, Дж/(м2с) [1, 4, 6].
Решение дифференциального уравнения (1) проводится при следующих краевых условиях:
Тл (0; h ) = Тн;
ТСл (г;0) = Тп.
Здесь Тн - начальная температура в слое, определяется конечной температурой материала после предыдущей зоны; Тп - температура теплоподводя-щих поверхностей, определяется текущей температурой на границе слоя материала.
При температуре более 180 оС начинается термохимическое разложение древесины с образованием угля, парогазовой смеси и убылью массы древесины.
Изменение массы в единице объема для каждого из перечисленных компонентов можно записать в следующем виде [1, 4, 6]:
для древесины
для угля
для парогазовой смеси
Рдр = _к р' •
дг *дрРдр;
^ = фкдррдр;
др' дг
= (1 _Ф) кдРР'дР>
(2)
(3)
(4)
m m
1 тдр ~ /3 I ту
где р =--удельная масса древесины в пиролизной зоне, кг/м ; ру =--
др V
V
« / 3 г т -
удельная масса угля в пиролизнои зоне, кг/м ; рш = — удельная масса образовавшихся пирогазов, кг/м3; тдр, ту и тпг - масса древесины, угля и пирога-зов; кдр - константа скорости химической реакции разложения древесины, с-1. Степень пиролиза определяется как
ру
ф= , , •
ру +рдр0
Изменение массы парогазовой фазы пиролизной зоны найдем по сумме массовых потоков за счет конвекции и реакций термического разложения древесины [1, 4, 6]:
) дКгР^)
дг
где е - пористость частицы, м3/м3
dh
+ С1 _ф)кдррдр.
(5)
s = 1 _
m (l — s )
Y др У др /
m„
Для определения скорости потока газов воспользуемся законом Дарси:
К АР _
^пг =--- -, (6)
^пг Н
где Кч - газовая проницаемость частицы, Кч = (1 - ф)Кпг + фКу; Кпг, Ку - газовая проницаемость пирогазовой смеси и угля; цпг - динамическая вязкость пирогазов, Пас.
Сток тепла при пиролизе древесины влияет на изменение температуры слоя. Считаем, что температуры древесной частицы и образующихся пирогазов одинаковы, а газовая и твердая фазы находятся в термодинамическом равновесии. Температура частицы при этом определяется из уравнения сохранения энергии [5]:
, ^ лдТч дТ( дТЛ дТ
(РуРу + сДрРДр)^7 = ]-РМ — + <7хр, (7)
где I - текущая координата частицы, м; - коэффициент теплопроводности для частицы, Вт/(мК); ^пг - скорость пирогазовой смеси, м/с; = ^0(-^дрРдр ); Ч - удельная теплота химической реакции, Дж/кг.
Константа скорости химической реакции определяется в соответствии с законом Аррениуса:
*др = ^дроеХР
где £дро - предэкспоненциальный множитель, с-1; Еа - энергия активации, Дж/моль.
Запишем начальные условия для решения уравнений (2)-(5) и (7):
рдр = рдро; ру =0; рпг =0; Тч = Тн ,
а также граничные условия для уравнения (7):
Тч\е=ь = Тсл •
Эффективный коэффициент теплопроводности Яэф в уравнении (1) зависит от порозности и температуры слоя:
^эф = /(В Тсл ) ,
т. е. его можно определить экспериментальным путем.
Коэффициент теплопроводности для частицы в уравнении (7) найдем как сумму теплопроводностей древесины (Адр), угля (Ау) и летучих веществ (Аг) с учетом степени пиролиза и излучения тепла через поры [3, 9]:
Ч =(1 -ф) ^др +ф ^ у +В Яг +
13,5с Т dПоp
др у " ^
где с0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м К ; ёпор - размер пор, ^ = 5 • 10-5 (1 - ф) +104 ф; - степень черноты газового потока.
Таким образом, разработанная нами математическая модель процесса позволяет рассчитать его основные характеристики, а также параметры установки.
Заключение
На основе анализа физической картины процесса пиролиза в установке для производства древесного угля была разработана математическая модель тепломассопереноса, осложненного химическими превращениями, которая описывает пирогенетическое разложение древесины и может быть использована для математического моделирования и проведения расчетов при проектировании этих установок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2582696 Российская Федерация, МПК С 10 В 1/04. Установка для производства древесного угля / Сафин Р.Г., Тимербаев Н.Ф., Сафин Р.Р., Зиатдинова Д.Ф., Хабибуллина А.Р., Ахметова Д.А., Сафина А.В., Саттарова З.Г., Степанова Т.О. 2014.
2. Сафин Р.Г. Актуальные проблемы технологических процессов лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств: учеб. пособие. Казань: Изд-во КНИТУ, 2016. 408 с.
3. Сафин Р.Г., Ахметова Д.А., Сафина А.В., Зиатдинов Р.Р., Хабибуллина А.Р. Математическая модель тепломассообменных процессов, протекающих при переработке древесных отходов // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 3. С. 161-163.
4. Сафин Р.Г., Зиатдинов Р.Р., Сафина А.В., Хабибуллина А.Р. Пиролизная переработка отходов лесопромышленного комплекса в древесный уголь // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2014. Т. 17, № 20. С. 132-134.
5. Сафин Р.Г., Степанова Т.О., Хабибуллина А.Р. Математическая модель теп-ломассообменных процессов, протекающих при переработке древесных отходов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2015. Т. 3, № 7-2(18-2). С. 413-417.
6. Сафина А.В., Тимербаев Н.Ф., Хабибуллина А.Р., Асаева Л.Ш., Калашникова А.С. Моделирование процесса конвективного охлаждения древесного угля в пи-ролизной установке // Деревообраб. пром-сть. 2017. № 1. С. 33-39.
7. Тимербаев Н.Ф., Сафин Р.Г., Хисамеева А.Р., Шулаев М.В., Хузеев М.В. Разработка энергосберегающей технологии газогенерации древесных отходов // Вестн. Казан. энергет. ун-та. 2012. № 1(12). С. 24-32.
8. Bridgwater A.V. Biomass Fast Pyrolysis // Thermal Science. 2004. Vol. 8, no. 2. Pp. 21-49. Режим доступа: www.doiserbia.nb.rs/img/doi/0354-9836/2004/0354-98360402021B.pdf (дата обращения: 17.10.18). DOI: 10.2298/TSCI0402021B
9. Di Blasi C. Heat, Momentum and Mass Transport through a Shrinking Biomass Particle Exposed to Thermal Radiation // Chemical Engineering Science. 1996. Vol. 51, iss. 7. Pp. 1121-1132. DOI: 10.1016/S0009-2509(96)80011-X
10. Sadrtdinov A.R., Safin R.G., Gerasimov M.K., Petrov V.I., Gilfanov K.K. The Mathematical Description of the Gasification Process of Woody Biomass in Installations with a Plasma Heat Source for Producing Synthesis Gas // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 124. Pp. 1-8. DOI: 10.1088/1757-899X/124/1/012092
11. Safin R., Barcik S., Tuntsev D., Safin R., Hismatov R. A Mathematical Model of Thermal Decomposition of Wood in Conditions of Fluidized Bed // Acta Facultatis Xylolo-giae Zvolen. 2016. Vol. 58(2). Pp. 141-148. DOI: 10.17423/afx.2016.58.2.15
12. Timerbaev N.F., Safin R.R., Safin R.G., Ziatdinova D.F. Modeling of the Process of Energy-Technological Treatment of Wood Waste by Method of Direct-Flow Gasification // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2014. Vol. 9, no. 5. Pp. 141-146.
13. Tuntsev D.V., Safin R.G., Hismatov R.G., Halitov R.A., Petrov V.I. The Mathematical Model of Fast Pyrolysis of Wood Waste // 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS 2015), Tomsk, December 1-4, 2015. Tomsk, 2015. Pp. 1-4. DOI: 10.1109/MEACS. 7414929
Поступила 17.10.18
UDC 66.092-977
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.153
Heat and Mass Transfer Simulation in the Pyrolysis Zone
А. V. Safina, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor N.F. Timerbaev, Doctor of Engineering Sciences, Professor D.F. Ziatdinova, Doctor of Engineering Sciences, Professor R.G. Safin, Doctor of Engineering Sciences, Professor A.R. Khabibullina, Assistant
Kazan National Research Technological University, ul. K. Marksa, 68, Kazan, 420015, Russian Federation; e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Nowadays, about 200 mln m3 of timber is harvested in our country. At all stages of the process (from harvesting to raw wood processing) a large amount of waste that does not find any usage and has negative influence on the environment is generated at the same time. Pyrolysis is one of the feasible directions of such waste processing. The yield of pyrolysis products depends on the external conditions and the raw materials properties. The article describes a plant targeting for production of activated carbon from wood chips. The plant is designed as a mine. It has a pyrolysis zone operating in periodic mode. Heating elements are located in the lower part of the pyrolysis zone. They heat industrial chips prior to intense exothermic reactions. Thermal energy is transferred to the heating elements by a heat pipe placed in charcoal after the activation stage, which has temperature about 800 °C. Valuable products are obtained from wood waste with the use of this plant, which are in a great demand in the industry. The environmental problem of many wood processing enterprises is being solved; disposal of waste dumps. Mathematical model of the process has been developed based on the analysis of the physical phenomenon and pyrolysis process formalization in the activated carbon plant. The model allows calculating the total time spent on wood waste processing and the main design parameters of the plant.
Keywords: mathematical model, heat and mass transfer, charcoal, pyrolysis, activation, gas flow.
REFERENCES
1. Safin R.G., Timerbaev N.F., Safin R.R. Ziatdinova D.F., Khabibullina A.R., Akhmetova D.A., Safina A.V., Sattarova Z.G., Stepanova T.O. Ustanovka dlyaproizvodstva drevesnogo uglya [Charcoal Plant]. Patent RF, no. 2582696. 2014.
2. Safin R.G. Aktual'nyye problemy tekhnologicheskikh protsessov leso-zagotovitel'nykh i derevopererabatyvayushchikh proizvodstv: ucheb. posobiye [Topical Is-
For citation: Safina A.V., Timerbaev N.F., Ziatdinova D.F., Safin R.G., Khabibullina A.R. Heat and Mass Transfer Simulation in the Pyrolysis Zone. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 2019, no. 1, pp. 153-160. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.153
sues of technological Processes of Logging and Wood Conversion Industries: Educational Textbook]. Kazan, KSTU Publ., 2016. 408 p. (In Russ.)
3. Safin R.G., Akhmetova D.A., Safina A.V., Ziatdinov R.R., Khabibullina A.R. Ma-tematicheskaya model' teplomassoobmennykh protsessov, protekayushchikh pri pererabotke drevesnykh otkhodov [Mathematical Model of Heat and Mass Transfer Processes Occurring in Wood Waste Processing]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2015, vol. 18, no. 3, pp. 161-163.
4. Safin R.G., Ziatdinov R.R., Safina A.V., Khabibullina A.R. Piroliznaya pererabot-ka otkhodov lesopromyshlennogo kompleksa v drevesnyy ugol' [Pyrolysis of Forest Sector Waste to Charcoal]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2014, vol. 17, no. 20, pp. 132-134.
5. Safin R.G., Stepanova T.O., Khabibullina A.R. Matematicheskaya model' teplomassoobmennykh protsessov, protekayushchikh pri pererabotke drevesnykh otkhodov [Mathematical Model of Heat and Mass Transfer Processes Occurring in Wood Waste Processing]. Aktual'nyye napravleniya nauchnykh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika [Topical Areas of Research of the 21st Century: Theory and Practice]. 2015, vol. 3, no. 7-2(18-2), pp. 413-417.
6. Safina A.V., Timerbaev N.F., Khabibullina A.R., Asayeva L.Sh., Kalashni-kova A.S. Modelirovaniye protsessa konvektivnogo okhlazhdeniya drevesnogo uglya v piroliznoy ustanovke [Modeling of Charcoal Convective Cooling in Pyrolysis Plant]. Derevoobrabativaushayapromishlennost' [Woodworking Industry], 2017, no. 1, pp. 33-39.
7. Timerbaev N.F., Safin R.G., Khisameyeva A.R., Shulayev M.V., Khuzeev M.V. Razrabotka energosberegayushchey tekhnologii gazogeneratsii drevesnykh otkhodov [Development of Energy-Saving Technology of Wood Waste Gas Generation]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta, 2012, no. 1(12), pp. 24-32.
8. Bridgwater A.V. Biomass Fast Pyrolysis. Thermal Science, 2004, vol. 8, no. 2, pp. 21-49. Available at: www.doiserbia.nb.rs/img/doi/0354-9836/2004/0354-98360402021B. pdf (accessed 17.10.18). DOI: 10.2298/TSCI0402021B
9. Di Blasi C. Heat, Momentum and Mass Transport through a Shrinking Biomass Particle Exposed to Thermal Radiation. Chemical Engineering Science, 1996, vol. 51, iss. 7, pp. 1121-1132. DOI: 10.1016/S0009-2509(96)80011-X
10. Sadrtdinov A.R., Safin R.G., Gerasimov M.K., Petrov V.I., Gilfanov K.K. The Mathematical Description of the Gasification Process of Woody Biomass in Installations with a Plasma Heat Source for Producing Synthesis Gas. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, vol. 124, pp. 1-8. DOI: 10.1088/1757-899X/124/1/012092
11. Safin R., Barcik S., Tuntsev D., Safin R., Hismatov R. A Mathematical Model of Thermal Decomposition of Wood in Conditions of Fluidized Bed. Acta Facultatis Xylologi-ae Zvolen, 2016, vol. 58(2), pp. 141-148. DOI: 10.17423/afx.2016.58.2.15
12. Timerbaev N.F., Safin R.R., Safin R.G., Ziatdinova D.F. Modeling of the Process of Energy-Technological Treatment of Wood Waste by Method of Direct-Flow Gasification. Journal of Engineering and Applied Sciences, 2014, vol. 9, no. 5, pp. 141-146.
13. Tuntsev D.V., Safin R.G., Hismatov R.G., Halitov R.A., Petrov V.I. The Mathematical Model of Fast Pyrolysis of Wood Waste. 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS 2015). Tomsk, December 1-4, 2015. Tomsk, 2015, pp. 1-4. DOI: 10.1109/MEACS. 7414929
Received on October 17, 2018
