CC BY
170
УДК 66.092-977
Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, А. Р. Садртдинов,
В. В. Степанов
НЕПРЕРЫВНО ДЕЙСТВУЮЩАЯ МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ
Ключевые слова: пирогенетическая переработка, пиролиз, отходы деревопереработки, древесный уголь, биомасса, биоэнергетика, оптимизация, пирогазы, жижка, энергоэффективность, качество угля,
энергоносители.
Рассмотрена термическая переработка древесных отходов. Дано описание способа производства древесного угля, имеющего несколько технологических зон, позволяющих получить древесный уголь высокого качества, обеспечить технологическую безопасность и достичь максимальную энергоэффективность. Представлена модель расчета теплового баланса установки для производства древесного угля.
Keywords: pyrogenetic processing, pyrolysis, waste wood, production charcoal, biomass, bioenergy, optimization, pyrogas, zizka, power efficiency, quality of coal, energy.
Addressed the topic of thermal processing of wood waste. A description of how the production of charcoal, which has several technical areas that provide a high quality charcoal, to ensure the security and technology to achieve maximum energy efficiency. The model of calculation of heat balance setting for the production of charcoal.
Технология производства древесного угля основана на процессе пиролиза древесины, т.е. термическом ее разложении без доступа кислорода под действием высокой температуры. В результате переработки образуются следующие первичные продукты: древесный уголь, древесный сухоперегонный газ, дистиллят (жижка). Современное углежжение ставит целью получение основного продукта пиролиза - древесного угля, при этом стоит нелегкая задача обеспечить максимальный выход древесного угля с заданными характеристиками и свести к минимуму воздействие на окружающую среду процесса производства. Аппаратурное оформление процесса термического разложения древесины представляет собой совокупность сложных конструкторских и технологических решений. Соответственно при проектировании установок необходимо проводить конструкторские и технологические расчеты предназначенные для оптимизации оборудования и режима процесса термического разложения древесины, позволяющего получить качественный продукт [1,2].
На кафедре «Переработка древесных материалов» тема пиролиза древесины изучается с 2005 года. Проведены исследования по темам: термическая переработка отходов деревообрабатывающих предприятий [3], математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды [4], утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза [5], термическое разложение древесины при кондуктивном подводе тепла, быстрый пиролиз древесины в абляционном режиме [6].
В настоящее время на кафедре разработан способ для производства древесного угля, позволяющий получить древесный уголь и жидкие продукты пиролиза. Данный способ отличается от предыдущих повышенной эффективностью процесса пиролиза за счет использования несконденсировавшейся парогазовой смеси в качестве топлива для сжигания в топке, многократного использования топочных газов в рециркуляционном режиме для сушки, рекуперации тепла угольного остатка для предварительного прогрева древесины перед сушкой. Принципиальная схема установки для осуществления способа изображена на рисунке 1.
Рис. 1 - Установка для производства древесного угля
Установка работает следующим образом.
Измельченные древесные отходы непрерывно загружают в зону прогрева 1, выполненную в виде шнекового транспортера с тепловой рубашкой. Прогрев древесой массы осуществляют кондуктивно при температуре 95..105°С за счет конденсации водяных паров в тепловой рубашке, поступающих со стадии охлаждения угля 8 по тепловой трубе 2. Из зоны прогрева 1 древесная масса с температурой порядка 60 °С поступает в зону сушки 3, где высушивается конвекцией топочными газами при температуре 240..250 °С с прогревом материала до 180 °С. При этом часть образованных в зоне сушки 3 влажных топочных газов с температурой около 150 °С отводят через абсорбер 4 в окружающую среду, другую часть снова нагревают до температуры 240..250 °С путем смешивания с топочными газами с температурой 600 °С, поступающими из зоны пиролиза 5 и направляют обратно в зону сушки 3. В абсорбере 4 выбрасываемые в атмосферу топочные газы очищают от примесей абсорбентом. Из зоны сушки 3 высушенная древесная масса поступает в зону пиролиза 5, где её пиролизуют в шнековом транспортере с тепловой рубашкой.
Из топки 7 топочные газы с температурой 600..700°С поступают в тепловую рубашку зоны пиролиза и в режиме противотока относительно движения древесной массы нагревают поверхность, которая кондуктивно передает тепло материалу. Пиролиз древесной массы осуществляется за счет кондуктивного подвода теплоты и за счет теплоты химических реакций термического разложения древесины. Угольный остаток на выходе из зоны пиролиза 5 имеет температуру порядка 500°С. Образовавшуюся в зоне пиролиза 5 парогазовую смесь эжектируют сконденсировавшей в конденсаторе 6 жижкой, которую далее отводят в резервуар, при этом несконденсированные пирогазы отводят в топку 7. Хладагент (вода) охлаждающий пирогазы направляется в топку 7 и превращается в пар. Угольный остаток, поступающий из зоны пиролиза 5, кондуктивно охлаждают до 120°С в зоне охлаждения 8, выполненной в виде шнекового транспортера с охлаждающей рубашкой. Охлаждение осуществляется испарением конденсата воды, поступающего из зоны прогрева 1 по тепловой трубе 2. Далее уголь дополнительно охлаждают в режиме противотока до 50°С. Охлаждение осуществляется кодуктивным способом от охлаждающей рубашки, в которой циркулирует абсорбент с температурой 35°С. Абсорбент поступает из абсорбера 4 и предварительно проходит через нейтрализатор 9 и фильтр 10. Абсорбент с температурой ориентировочно
65°С, отводящийся из зоны дополнительного охлаждения 11, охлаждают в теплообменнике 12 до температуры 25°С. Хладагент, использующийся для охлаждения абсорбента в теплообменнике 12, направляют в конденсатор 6 для конденсирования пирогазов, а затем в топку 7 для превращения в пар.
Охлажденный древесный уголь транспортируют на склад, пар, отводящийся из топки 7, используют в технологических или бытовых целях.
Для первоначального запуска процесса и выхода на режимные параметры в топку 7 в качестве топлива подают природный газ. Также в топку 7 подают воздух для поддержания процесса горения несконденсировавшихся газов. Потери рециркулирующего абсорбента с выбрасываемыми топочными газами возмещают подачей свежего абсорбента.
Рассмотрим тепловой баланс установки для производства древесного угля.
Основные зоны, где происходит теплообмен - это зона прогрева 1, зона сушки 3, зона пиролиза 5, зона охлаждения 8 и зона дополнительного охлаждения 11. Также нужно рассчитать тепловую мощность топки 7 и теплообменник 12.
Рекуперацию тепла из зоны охлаждения 8 в зону прогрева 1 по тепловой трубе 2 можно представить в уравнением теплового баланса:
сдтд(Т д -Тд) “ суту(Т у -Ту) - Опот., (1)
где Сд, Су - теплоемкость древесины и угля соответственно, тд, ту - масса древесины и угля соответственно, Т' и Т" - начальная и конечная температуры материала, Опот - потери тепла в окружающую среду (примерно 5% от общей передаваемой тепловой энергии).
Преобразуя соотношение (1) получаем результирующее значение температуры древесины в конце зоны прогрева:
Т"д = ф СУ ф(Т"у -Т'у)/ сд+ ^ (2)
где ф — коэффициент полезного действия процесса теплопередачи, ф — массовый выход угля.
Температуру воды в тепловой трубе 2 поддерживают в пределах 95..105°С, т.к. при меньшей температуре уменьшается движущая сила для прогрева древесины, а при более высокой температуре повышается парциальное давление пара и усложняется конструкция установки для осуществления способа.
В зоне охлаждения 8 угольный остаток охлаждают до 120°С, т.к. при меньшей
температуре увеличиваются габаритные размеры зоны охлаждения 8, а при более высокой
температуре повышается парциальное давление пара в тепловой трубе 2.
Низшую теплоту сгорания 1 м3 неконденсируемых газов (кДж/м3) в топке 7 можно вычислить по формуле[7]:
Отоп = 127,5 • СО +108,1 • Н2 + 358,8 • СН4 + 604,4 • С2Н4, (3)
где СО, Н2, СН2, C2H4 - объемное содержание этих газов в смеси, % .
Тепловая энергия топочных газов, образовавшихся в топке 7, расходуется на сушку древесины и пиролиз, а оставшаяся энергия используется для получения пара, который используется в бытовых или технологических целях:
Чтоп. _ Ясуш. + Япир. + qnap. + Япот^ (4)
где удельное количество теплоты необходимого для сушки древесины можно представить соотношением:
Ясуш. _ (с сух.д + свл.и)( Т суш -Т суш) +TU, (5)
где u - влагосодержание материала, кг/кг; Г - скрытая теплота парообразования, кДж/кг.
В зону сушки 3 топочные газы подают с температурой 240..250°С с прогревом древесины до 180°С, т.к. при температуре топочных газов меньше 240°С увеличивается продолжительность сушки древесной массы, а при температуре топочных газов больше 250 °С
наблюдается местный прогрев древесины до температуры более 180°С и разложение древесины.
Определение количества теплоты в зоне пиролиза сложный и трудоемкий процесс. Необходимо учесть нестационарность процесса и тепловой эффект химических реакций процесса термического разложения древесины. С учетом выше сказанного искомая величина определяется решением дифференциального уравнения имеющего следующий вид [8]:
5Т 5Т ( 5Т ^ 5Т
(сдтл + суту + спгтпг)— = —I Ал— I-тпгспгwпг — + ахр (6)
\ д д у у пг п^ I л I пг пг пг ^ ^хр V /
где Ад - коэффициент теплопроводности древесины, Яхр - удельный тепловой эффект химических реакций процесса термического разложения древесины.
Максимальный удельный тепловой эффект при термическом разложении древесины составляет порядка 1000 - 1250 кДж/кг, однако в процессе пиролиза данная величина не постоянна в различные моменты времени и определяется выражением[8]:
Яхр =-(Яу • кУ + Япг • кпг ) • т д (7)
где ку ,кпг - константа скорости химической реакции образования соответственно угля и
парогазовой смеси, Яу ,Япг - удельный тепловой эффект химической реакции образования
соответственно угля и парогазовой смеси.
Температуру топочных газов в зоне пиролиза 5 поддерживают в пределах 600..700°С, т.к. при температуре топочных газов меньше 600°С увеличивается длительность процесса пиролиза и увеличиваются габаритные размеры зоны пиролиза 5, а при температуре топочных газов больше 700 °С усложняется конструкция установки для осуществления способа, требующее для изготовления специальные жаропрочные стали.
Удельное количество теплоты, затрачиваемое на получение пара в топке 7, определяем следующим соотношением:
Чпар. _ спар.'(Т пар. -Т пар.) + Г (8)
Для зоны дополнительного охлаждения 11, из соотношения теплового баланса определяем массу необходимого абсорбента:
табс. _ Су ту (Т у -Т" у)/ (Сабс. (Т абс. -Т абс.)) — О пот. , (9)
В зоне дополнительного охлаждения 11 древесный уголь охлаждают до температуры 50 °С для предотвращения самовозгорания угля.
Нагревшийся в зоне дополнительного охлаждения 11 абсорбент охлаждается в теплообменнике 12. Из материального баланса определим массу необходимого хладагента:
тхлад. _ Сабс. табс. (Т абс. -Т абс. )/ (схлад. (Т хлад. -Т хлад. )) - О" пот. , (10)
Условные обозначения:
О - количество теплоты, кДж; Я —удельное количество теплоты, кДж/кг; с - теплоемкость, кДж/(кг-°С); т - масса, кг; Т - температура, °С.
Литература
1. Выродов В. А. Технология лесохимических производств / В.А. Выродов, А.Н. Кислицын, М.И. Глухарева и др. - М: Лесная промышленность, 1987. - 352 с.
2. Славянский А.К. Химическая технология древесины / А.К. Славянский, В.И. Шарков, А.А. Ливеровский и др. - М.: ГОСЛЕСБУМИЗДАТ, 1962. - 576 с.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Гордон, Л.В. Технология и оборудование лесохимических производств: учебное пособие. - 5-е изд., перераб. / Л.В. Гордон, СО. Скворцов, В.И. Лисов - М.: Лесная промышленность, 1988. - 360 с.
8. Садртдинов, А.Р. Совершенствование техники и технологии процесса газификации отходов деревообработки: Дис. ... канд. техн. наук / А.Р. Садртдинов. - Казань, 2011.
© Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, tnail@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safin_rg@kstu.ru; А. Р. Садртдинов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, dog_home@mail.ru; В. В. Степанов - асп. той же кафедры,vlad200719@mail.ru.
