CC BY
95
УДК 66. 092 - 977
Р. Г. Сафин, З. Г. Саттарова, А. В. Сафина, Т. Д. Исхаков, А. Р. Хабибуллина
ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА В ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ
Ключевые слова: пиролиз, древесные отходы, установка, жижка, древесный уголь, пиролизный газ, конденсация.
В статье рассмотрена установка переработке древесных материалов ЛПК. Представлено описание технологии и аппаратурное оформление процесса древесных отходов в непрерывно действующей вертикальной реторте.
Keywords: pyrolysis, wood waste, installation, zizka, charcoal, pyrolysis gas, condensation.
In article installation to processing of wood materials LPK is considered. The description of technology and instrumental design of process of wood waste in continuously operating vertical retort is provided.
На предприятиях лесопромышленного комплекса (ЛПК), даже на современных, образуются огромное количество древесных отходов, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. К последнему представителю таких предприятий можно отнести российско-турецкое предприятие «Kastamoш», запущенное на территории ОЭЗ «Алабуга» в 2014. Менее чем за год эксплуатации данного предприятия на его территории скопилось большое количество древесных отходов. Одним из перспективных направлений является переработка таких отходов в древесный уголь.
Древесный уголь является
высокоуглеродистым материалом, имеющий широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту. Традиционно его получают пиролизом древесины термическим разложением, основанная на ее нагревании до высокой температуры без доступа воздуха в процессе, которого образуются твердые, жидкие и газообразные продукты. [1]
Исследования по пиролизу древесины на кафедре переработки древесных материалов (ПДМ) проводятся с начала 2004г. [2^9]. Целью исследований была оптимальная переработка отходов деревообработки в древесный уголь. В результате была создана углевыжигательная печь. Исследования показали, что пиролизная переработка позволяет не только получить ценные продукты, но и утилизировать древесные отходы, включающие в себя токсичные вещества [4].
При этом, вопрос сепарации жидких продуктов пиролиза занимает особое место, т.к. при прохождении пирогазов они частично могут сконденсироваться с последующей полимеризацией во внутренней поверхности трубопровода. Для предотвращения данных явлений установка пиролиза должна иметь хорошую теплоизоляцию и специальную конструкцию конденсатора.
Пиролиз древесины включает в себя ряд взаимосвязанных процессов нагрева, сушки, термической деструкции высокомолекулярных соединений, состоящих из множества параллельно протекающих элементарных взаимодействий. При этом вначале протекают эндотермические процессы со значительным потреблением тепловой энергии, а
затем - экзотермические процессы: экзотермические реакции, процессы конденсации, охлаждение продуктов реакций[2-9].
При переработке древесных отходов в виде щепы рекомендуется установка шахтного типа [16], в которой с помощью теплового насоса, тепло передается из зоны охлаждения древесного угля в зону нагрева технологической щепы.
Для получения активированного древесного угля на кафедре (ПДМ) была разработана установка, представляющая собой вертикальную реторту непрерывного действия 1, которая имеет зону
отходов
накопления перерабатываемого сырья 2, зону сушки 3, с патрубками вывода 4 и ввода 5 теплоносителя, зону пиролиза 6, зону активирования древесного угля 7, зону охлаждения 8, зону накопления древесного угля 9 с патрубками подвода 10 и отвода воздуха 11. Установка также имеет дозирующий загружатель сырья 12, выгружатель угля 13, при этом зона сушки 3 через зону накопления перерабатываемого сырья 2 связана с зоной охлаждения 8 через конденсатор 14, зона сушки 3
снабжена патрубком подачи топочных газов 15. Зоны пиролиза 6 и охлаждения 8 сообщены между собой тепловой трубой 16. Зона пиролиза 6 оснащена патрубком вывода пиролизных газов 17 и соединена через трубопровод с эжектором 18.
Эжектор соединен с разделительным аппаратом 19 и имеет зону накопления жижки 20, которая оборудована насосом для циркуляции жижки 21, а разделительный аппарат 19 снабжен патрубком для вывода несконденсирующейся парогазовой смеси 22 и регулятором температуры жижки 23. Установка имеет также рекуперативный теплообменник 24, воздуходувку 25, дымосос 26, дымовую трубу 27, регулятор температуры топочных газов 28, топку 29, которая имеет патрубок вывода топочных газов 30, и эжекционный смеситель неконденсирующихся газов и воздуха 31. Реторта 1 имеет зону активирования древесного угля 7, которая снабжена патрубком ввода перегретого пара 32 и патрубком вывода образующейся парогазовой смеси 33 и регулятором состава парогазовой смеси 34, при этом зоны накопления перерабатываемого сырья 2, сушки 3, пиролиза 6, активирования 7, охлаждения 8 и накопления древесного угля 9 изолированы между собой шиберными заслонками 35, 36, 37, 38, 39. Установка также имеет парогенератор 44, эжекционный насос 45 сообщается с барометрическим конденсатором 46, последний соединен через насос рециркуляции абсорбента 47 с насадочным абсорбером 48.
Барометрический конденсатор снабжен патрубком ввода хладагента 52 и патрубком вывода неконденсирующихся газов 53. Топка 29 имеет вентиль 54 для подачи природного газа.Установка для производства древесного угля работает следующим образом. В вертикальную реторту 1 через дозирующий загружатель 12 в зону накопления перерабатываемого сырья 2 подают технологическое сырье (измельченные древесные отходы). После загрузки открывается шиберная заслонка 35 и содержимое подается в зону сушки 3, где оно сушится и прогревается до 250оС, за счет подачи топочных газов через патрубок 15. Затем в парогенератор 44 подают воду, а содержимое зоны сушки 3 переходит в зону пиролиза 6, где за счет тепловой трубы 16 технологическая щепа в нижней части пиролизной зоны прогревается до 350оС (до начала экзотермической реакции). Начинается пиролиз с выделением пиролизных газов, которые через патрубок 17 и трубопровод поступают в эжектор 18. Температура сырья в зоне пиролиза возрастает до 500оС за счет тепла, выделяющегося в процессе экзотермических реакций. В зоне пиролиза 6 происходит выделение пиролизных газов и образование угля.
Для отвода образовавшихся пиролизных газов из зоны пиролиза 6 в разделительный аппарат 19 используют жижку, которую предварительно охлаждают до 100°С, и нагнетают насосом для циркуляции жижки 21 в эжектор 18 из зоны накопления жижки 20. Разделительный аппарат снабжен патрубком для вывода
несконденсировавшейся парогазовой смеси 22 и
регулятором температуры жижки 23. Избыток жижки из разделительного аппарата 19 переливается через патрубок 56 в резервуар 57, в котором собирается жижка, представляющаяся собой смесь только высококипящих компонентов с температурой кипения более 100оС. Несконденсировавшиеся парогазовые смеси отводят эжекционным насосом 45 и вторично сепарируют в барометрическом конденсаторе 46 на газы и конденсат, состоящий, в основном, из низкокипящих компонентов и воды.
Из барометрического конденсатора 46 неконденсирующиеся газы отводятся эжекционным смесителем 31 в топку 29, а конденсат поступает в холодильник-сепаратор 58, где сепарируется на низкокипящие компоненты и воду.
Образовавшийся в зоне пиролиза 6 уголь через шиберную заслонку 37 поступает в зону активирования 7, снабженную регулятором состава парогазовой смеси 34. При активировании древесного угля перегретым паром начинается его газификация, поэтому при превышении концентрации окиси углерода или метана выше заданных предельных значений, регулятором 34 прекращается подача окислителя - пара и процесс активирования завершается. Древесный уголь поступает в зону охлаждения 8, где охлаждается до 150оС за счет отдачи тепла отработанным топочным газам, поступающим из конденсатора 14 и тепловой трубе 16, которая в свою очередь дополнительно нагревает технологическое сырье в зоне пиролиза 6.
Топочные газы, проходя через зону охлаждения 8, нагреваются до 400оС и направляются в рекуперативный теплообменник 24, где охлаждаются до 150оС. Часть охлажденных газов направляется дымососом 26 в дымовую трубу 27, через насадочный абсорбер 48, другая часть поступает на рециркуляцию в зону сушки 3.
Из зоны охлаждения 8 через шиберную заслонку 39 уголь попадает в зону накопления 9, где дополнительно охлаждается за счет отдачи тепла воздуху, подаваемому через патрубки подвода 10 и отвода воздуха 11 в рекуперативный теплообменник 24 воздуходувкой 63. Воздух в рекуперативном теплообменнике прогревается до 350оС и воздуходувкой 25 нагнетается в топку 29. Уголь непрерывно выгружается через дозирующий выгружатель 13.
Для первоначального запуска установки через вентиль 54 в топку 29 подают природный газ. С началом подачи пирогазов из разделительного аппарата 19 в установку подачу природного газа через вентиль 54 прекращают.
Передача продукта из одной зоны в другую с помощью шиберных заслонок 35, 36, 37, 38, 39 исключает возможность образования сводов в вертикальной реторте и повышает, тем самым, надежность работы установки.
После зоны активирования 7 возрастает свободная поверхность древесного угля до 600^900 м2/г, в результате чего возрастает сорбционная активность готового продукта.
Объемное охлаждение жижки за счет вакуумирования и орошения водой позволяет легко
поддерживать требуемую температуру
эжектирующей жижки, подаваемой насосом 21, и сепарировать паровую фазу пирогазов на смесь высококипящих и низкокипящих компонентов.
Данная установка для производства древесного угля позволяет повысить: качество древесного угля за счет повышения сорбционной активности, а также надежность организации процесса переработки измельченных древесных отходов и эффективность работы установки за счет использования энергии топочных газов для активирования древесного угля и сепарации жижки на обезвоженные смеси высококипящих и низкокипящих компонентов. Предварительная сепарация жижки на обезвоженные смеси высококипящих и низкокипящих компонентов позволяет сократить затраты на последующую переработку жижки с целью извлечения из нее уксусной кислоты, березового деготя, растворимых и нерастворимых кислот, жидких горючих веществ более высокой калорийности.
Термическая переработка древесных отходов в описанной установке позволяет решить не только экологическую проблему многих предприятий лесопромышленного комплекса но и получить высококачественные продукты лесохимии.
Заключение
Термическая переработка древесных отходов в описанной установке позволяет решить не только экологическую проблему многих предприятий лесопромышленного комплекса, но и получить высококачественные продукты лесохимии.
Литература
1. Бронзов Ю.В., Уткин Г.К., Кислицын А.Н. и др. Древесный уголь. Получение, основные свойства и области применения древесного угля. - М.: Лесная промышленность, 1979. - 137 с.
2.Сафин Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств. - М.:2002. - С.659-663
3. Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Валеев И.А. Пиролизная установка для переработки древесных отходов // "ММТТ-17". г. Кострома. -2004. -Т.9.-С. 135.
4. Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Валеев И.А. Экспериментальное исследование влияния давления при пиролизе древесины // Вестник технол. ун-та. №1. -2005. -С. 256-260.
5. Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Валеев И.А. Экспериментальное исследование влияния давления при пиролизе древесины // Вестник технол. ун-та. №1. -2005. -С. 256-260.
6 Тимербаев Н.Ф. Моделирование процесса пиролиза древесины в установке для производства древесного угля
/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И. Хуснуллин // Вестник технол. ун-та. - 2011. - №9. - С. 51-56.
7. Патент РФ №2256686. Углевыжигательная печь /Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Валеев И.А. и др. -Бюл. № 18, 2005.
8. Грачев А.Н. Пиролиз отходов предприятий деревообрабатывающей отрасли / / Грачев А.Н., Исхаков Т. Д., Валеев И.А., Иманаев Р. М. // Вестник технол. ун-та - 2006. - №6-ЧП. -С.71-77
9. Патент № 2346023, МПК С10В53/02, F23G027. Установка для пиролиза древесины / Грачев А.Н., Исхаков Т.Д., Сафин Р.Г., Валеев И.А., Воронин А.Е. Заявитель и патентообладатель Научно-технический центр по разработке прогрессивного оборудования. -Бюл. № 4, 2009 г.
10. Исследование восстановительной зоны процесса газификации древесных отходов.// / Н.Ф. Тимербаев., Р.Г. Сафин., Д.А. Ахметова., З.Г.Саттарова// Вестник технол. ун-та. - 2011. - №8 С.90-96.
11. Тунцев Д.В. Математическая модель термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и конденсации продуктов разложения / Д.В. Тунцев, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин // Вестник технол. ун-та. - 2011. -№14. - С. 130-137.
12. Сафин Р.Г. Современное состояние процесса пирогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И. И. Хуснуллин // Вестник технол. ун-та. - 2011.
13. Сафин Р.Г. Непрерывно действующая мобильная установка для производства древесного угля / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, В.В. Степанов // Вестник технол. ун-та. - 2011. - №18. - С. 201-205.
14. Сафин Р. Г. Перспективы развития лесопромышленного комплекса РТ на базе научных разработок кафедр лесотехнического профиля КНИТУ / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин // Деревообрабатывающая промышленность. -2012. - №3. - С. 22-27.
15. Сафин Р.Г. Энергонезависимая установка непрерывной переработки древесных отходов / Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, И.И. Хуснуллин // Вестник казанского технологического университета. - 2013. - 27. 16.Патент РФ № 2463331, МПК С10В53/02 Способ производства древесного угля / Тимербаев Н.Ф., Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., и др., Бюл №28, 2012.
17. Патент РФ № 2568061, МПК С10В1/04 Установка для производства древесного угля / Тимербаев Н. Ф., Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Г., и др., Бюл №33, 2012.
№16. - С. 183-188.№3. - С. 169-173.
18. Пиролизная переработка отходов лесопромышленного комплекса в древесный уголь // Р.Г.Сафин, Р.Р.Зиатдинов, А.В.Сафина, А.Р.Хабибуллина // Вестник технол. ун-та. - 2014. - №20-Т.17. -С.131-134.
19.Патент РФ №2014153912, МПК С10В1/04(2014.01) Установка для производства древесного угля /Р.Г Сафин,Н.Ф., Тимербаев, Р.Р.Сафин., и др., Бюл.№19,2014.
© Р. Г. Сафин - д.т.н., проф., зав. кафедрой переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; З. Г. Саттарова -к.т.н., доц. той же кафедры, sattarova@list.ru; А. В. Сафина - к.т.н., доц. каф. экономики КНИТУ, cfaby@mail.ru Т. Д. Исхаков - к.т.н., доцент каф. ПДМ КНИТУ, timgdi@mail.ru; А. Р. Хабибуллина - магистрант той же кафедры, almira-h@rambler.ru.
© R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department of processing of wood materials КЛЯТО, safin@kstu.ru; Z. G. Sattarova - candidate of technical sciences, associate professor of the same chair; sattarova@list.ru; А. V. Safina - candidate of technical sciences, associate professor of the same chair, cfaby@mail.ru; T. D. Iskhakov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials, KNRTUtimgdi@mail.ru; А. R. Khabibullina - undergraduate associate professor of the same chair, almira-h@rambler.ru.
