CC BY
184
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
1
УДК: 662.936
ПИРОЛИЗ ПОРУБОЧНЫХ ОСТАТКОВ В УГЛЕВЫЖИГАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ
Махмутов Рамиль Мухаметович аспирант
Онучин Евгений Михайлович к.т.н., доцент
Медяков Андрей Андреевич к. т. н.
Анисимов Павел Николаевич аспирант
Марданов Азат Ринатович студент
Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, Россия
В статье представлен вариант модернизации углевыжигательной печи для порубочных остатков, который позволяет ускорить процесс сушки за счет его форсирования. Получены зависимости, отражающие влияние температуры процесса сушки на тепловые потери печи и влияние объема загрузки и влажности исходного сырья на затраты топлива на весь процесс сушки
Ключевые слова: ПИРОЛИЗНАЯ ПЕЧЬ, ПРОЦЕСС СУШКИ, ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ, ПОТРЕБЛЕНИЕ ТОПЛИВА
В настоящее время древесный уголь используется достаточно широко, в том числе не только в бытовых целях, но и в качестве биотоплива для производства энергии, в качестве восстановителя при производстве чугуна, при производстве кристаллического кремния и кремнистых сплавов. При этом теоретические основы процессов углежжения были заложены достаточно давно [1-3]. Также были разработаны различные конструкции углевыжигательных печей [4-11], обладающие своими преимуществами и недостатками. Однако до сих пор широкого распространения установки по производству угля в нашей стране не получили. Также важной проблемой лесозаготовительной отрасли является утилизация порубочных остатков. Использование для этих целей углевыжигательных печей позволяет не только утилизировать
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
UDC: 662.936
PYROLYSIS OF FOREST RESIDUES IN THE CHARCOAL FURNACE
Makhmutov Ramil Muhametovich postgraduate student
Onuchin Evgeny Mikhailovich Cand.Tech.Sci., associate professor
Medyakov Andrei Andreevich Cand.Tech.Sci.
Anisimov Pavel Nikolaevich postgraduate student
Mardanov Azat Rinatovich student
Volga state university of technology, loshkar-Ola, Russia
The article presents the modernization option of the forest residue furnace that allows speeding up the drying process by boosting it. The dependencies, reflecting the influence of the temperature of the drying process on the heat losses of the furnace and the effect of the load and the moisture content of the feedstock to the fuel consumption for the entire drying process, are presented in the article
Keywords: PYROLYSIS FURNACE, DRYING PROCESS, HEAT LOSSES, FUEL CONSUMPTION
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
2
значительные количества остатков, но и производить товарный продукт -древесный уголь. Для этих целей могут использоваться специальные автономные углевыжигательные установки, которые используют в качестве топлива порубочные остатки, при этом сырьем для угля должна являться высококачественная древесина лиственных или хвойных пород. В связи с этим задачи по повышению эффективности углевыжигательных установок являются актуальными.
Наиболее продолжительной и энергозатратной стадией в процессе пиролиза является стадия сушки древесины, которую в связи с этим можно модернизировать. Для этого в рамках представленной работы было необходимо произвести расчет потерь через ограждающие конструкции, рассчитать эффективность процесса сушки в зависимости от качества сырья, подобрать датчики температуры и влажности, вентилятор и воздушный клапан.
В качестве объекта модернизации была использована конкретная углевыжигательная печь, которая представляет собой горизонтально расположенную цилиндрическую металлическую «бочку» на двух опорах, наружным диаметром 2,2м и длиной 3м, со встроенной в неё топочной камерой. Корпус печи, топка, дверь люка и короб изготовлены из конструкционной углеродистой стали Ст3 толщиной 3 мм. Снаружи печь обшита листовой сталью (жесть) толщиной 1мм. Обечайки корпуса соединены между собой двусторонними сварными швами, поверх которых установлены усиливающие бандажи (обручи из прямоугольной трубы сечением 40х20х2мм), придающие дополнительную прочность и жесткость конструкции корпуса и позволяющие обезопасить от повреждений в случае непредвиденного возрастания давления внутри ёмкости. Торцевые стенки также усилены ребрами из прямоугольной трубы такого же сечения. Параметры и характеристики печи представлены в таблице 1.
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
3
Таблица 1 - Параметры и характеристики печи
№ п/п Наименование характеристики Размерность Величина Примечание
1 Объем камеры пиролизной м3 10
2 Фактически загружаемый объем дров м3 5-6 При соблюдении
правил укладки
3 Продолжительность основного рабочего часы Около 70
цикла
4 Количество дров (расчетное), кг 3135 Вес 1м3 - 627кг
загружаемое в камеру пиролизную (береза, влага
(дрова березовые) 25%)
5 Количество (теоретическое) древесного кг 810 При
угля (березового), получаемое из одной соблюдение
загрузки техпроцесса
6 Габаритные размеры базовой модели
печи:
1. длина м 3
2. высота общая (с учетом трубы) м 2,7
3. высота без учета трубы 4. ширина печи м 2,1
м 2,1
7 Вес конструкции печи кг 1500
В представленную установку в рамках модернизации планируется установить высокотемпературные датчики температуры (термометр сопротивления LTS производства KOBOLD [12]) и влажности (гигрометра серии HygroFlex [13]), вентилятор (радиальный вентилятор низкого давления ВР 85-77 [14]) и приточный воздушный клапан.
После выполнения монтажа вышеперечисленных датчиков и приборов установка будет выглядеть в соответствии с чертежом, представленным на рисунке 1, и работать согласно блок-схеме, представленной на рисунке 2.
В начале, производится загрузка сырья, закрытие пиролизной камеры и задвижек, растапливание топочной камеры. Далее включается вентилятор, температура в пиролизной камере, контролируемая с помощью термометра сопротивления, начинает увеличиваться до требуемой (;суш) с учетом положительной уставки 10 оС, после чего
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
4
открывается приточный клапан и температура в пиролизной камере понижается до отметки до требуемой (1;суш) с учетом отрицательной уставки 10 оС. После этого приточный клапан закрывается и температура в пиролизной камере снова начинает расти. Цикл повторяется до тех пор пока, влажность на установленном на выходной трубе гигрометре не достигнет требуемой отметки (Wmpe6). Затем происходит отключение вентилятора, отсоединение дымовой трубы от пиролизной камеры и закупорка технологических отверстий и приточного клапана,
непосредственный пиролиз, прокалка и охлаждение угля.
; Высокотемпературный гигрометр
Рисунок 1 - Чертеж углевыжигательной печи после модернизации
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
5
Рисунок 2 - Схема работы углевыжигательной печи после модернизации
Для определения потерь через ограждающие конструкции в процессе сушки был выполнен расчет в среде Microsoft Excel. Ниже представлен расчет для температуры сушки t2=50°C.
2
1) Определяем наружную площадь печи, S, м
S = 2 ■ л -/?(/+ Ю
где l - длина печи, м; R - радиус печи, м;
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
6
5 = 2- ЗД4 ■ 1,0s ■ (3 + 1,05) = 26,7 м2.
2
2) Находим коэффициент теплопередачи, k, Вт/(м K)
1
где d1 - толщина внутренней стенки печи, сталь, мм; d2 - толщина обшивка печи, мм; d3 - толщина воздушной прослойки, мм; qCT -теплопроводность стали, Вт/(мК); qE - теплопроводность стали, Вт/(мК);
ан - теплоотдача к наружному воздуху, Вт/(м K); ав - теплоотдача к
2
внутренней стенке печи, Вт/(м K);
1
Вт/(м2К).
3) Определяем теплопотери через ограждающие конструкции, Я , Вт
q=k - S-ttz-tj,
где t1 - температура окружающего воздуха, °С; t2 - температура процесса сушки, °С;
Результаты расчета для различных режимов сушки представлены в виде графика на рисунке 3.
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Потери — , Вт
Те амп., °С
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Рисунок 3 - График потерь через ограждающие конструкции в процессе сушки
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
7
Также для определения потребностей в топливе на процесс сушки был выполнен расчет в среде Microsoft Excel. Ниже представлен расчет для объема загрузки сушилки V = 0,5 м и влажности сырья W = 15%.
1) Определяем теплоемкость березы с учетом влажности, c6w, кДж/(кг°С)
, кДж/(кг°С),
где W - влажность исходного сырья, %; сб - теплоемкость березы, кДж/(кг°С); св - теплоемкость воды, кДж/(кг°С);
кДж/(кг°С).
2) Находим массу загруженного сырья, тзс, кг
, кг,
где V - объем загрузки сушилки, м ; рб - плотность сырья березы, кг/м3;
кг.
3) Находим теплоту нагрева древесины до температуры испарения, Qh,
кДж
, кДж,
где Ед - температура загруженной древесины, °С;
1,5 ■ 1/
49056/
кДж
4) Определяем теплоту испарения влаги из древесины, Qhot, кДж
, кДж,
где L - теплота парообразования воды, кДж/кг;
кДж.
5) Определяем суммарную теплоту на сушку с учетом КПД сушки,
Qсуш, кДж
, кДж,
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
8
где п - КПД сушки, %;
кДж.
6) Находим потери теплоты теплопроводностью через наружную поверхность, J, кДж
/=Л-Т-б ™
1000, кДж
где T - продолжительность сушки, ч;
/ = 2138,01875
——= 1416223,62 п 101 Оо кДж.
7) Рассчитываем суммарные затраты теплоты на сушку с учетом КПД и потерь через ограждения конструкции, G, кДж
, кДж,
G = 449182,8 4-1416223,62 = 1865406,42 , кДж.
8) Находим затраты топлива на сушку, M, кг
, кг,
где 0с - теплота сгорания топлива, кДж/кг;
1865406/42 _
М = 1590о _ 117,321 кг.
Результаты расчета для различных объемов загрузки камеры и влажности исходного сырья представлены в виде трехмерного графика на рисунке 4.
Таким образом, в рамках работы представлен вариант модернизации углевыжигательной печи, который позволяет ускорить процесс сушки за счет его форсирования. Также получены зависимости, отражающие влияние температуры процесса сушки на тепловые потери печи и влияние объема загрузки и влажности исходного сырья на затраты топлива на весь процесс сушки. Полученные результаты могут быть использованы для повышения эффективности работы углевыжигательной печи после модернизации.
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
9
Рисунок 4 - Результаты расчета потребностей в топливе на процесс сушки в
зависимости от влажности сырья и объема загрузки
Библиографический список
1. Богданов, Е.С. Справочник по сушке древесины / Е. С. Богданов, В. А. Козлов, Н. Н. Пейч. - М.: Лесная промышленность, 1981. - 191с..
2. Козлов, В. Н. Технология пирогенетической переработки древесины / В. Н. Козлов, А. А. Нивицкий. - М.: Гослесбумиздат, 1954. - 128с.
3. Мухина Т. H. Пиролиз углеводородного сырья / Т. H. Мухина, Н. Л. Барабанов, С. Е. Бабаш. — М.: Химия, 1987. - 240 с.
4. Пиролиз ЭКО [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://pirolizeco.ru/kratkaya-istoriya-piroliza/, свободный.
5. Традиционные и современные технологии производства древесного угля -[Электронный ресурс] Режим доступа: http://pelleta.com.ua/tradicionnye-i-sovremennye-texnologii-proizvodstva-o2517.html, свободный.
6. Производство древесного угля, пиролиз древесины. [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://www.fierydragon.ru/piroliz_drevesini.html, свободный.
7. Печи Кузнецова. [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://stove.ru/index.php?lng=&rs=124, свободный.
8. Углевыжигательная печь УП«ЕВРО». [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://uglezhog.ru/products/2008-12-22-10-52-09/rus/, свободный.
9. Установка для углежжения с поворотными ретортами. [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://blago-tt.ru/perspektivnye-razrabotki/ustanovka-dlya-uglezhzheniya-s-povorotnymi-retortami, свободный.
10. Углевыжигательные печи малого объема [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://лес-вологодчины.рф/uglevyzhigatelnye-pechi-malogo-obema, свободный.
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
10
11. Патент на изобретение 2235752 Российская Федерация, МПК51 C10B53/02 (2006/01) Печь углевыжигательная с регулятором теплового потока / Бакаев В.В., Рубцов Ю.В., Соловьев В. А., Гудим А.С.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т. - № 2003115483/15; заявл. 23.05.2003; опубл. 10.09.2004.
12. КИПИНФО Каталог приборов [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://kipinfo.ru/pribori/4820/, свободный.
13. Промышленные высокотемпературные гигрометры серии HygroFlex.
[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.technoac.ru/product/
hygrometer/hygroflex, свободный.
14. Вентиляторы радиальные низкого давления ВР 85-77 исп.1 (ВР 80-75)
[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.tayra.ru/production/5916037/
5919824/5916064/591603 8/, свободный
References
1. Bogdanov, E.S. Spravochnik po sushke drevesiny / E. S. Bogdanov, V. A. Kozlov, N. N. Pejch. - M.: Lesnaja promyshlennost', 1981. - 191s..
2. Kozlov, V. N. Tehnologija pirogeneticheskoj pererabotki drevesiny / V. N. Kozlov, A. A. Nivickij. - M.: Goslesbumizdat, 1954. - 128s.
3. Muhina T. H. Piroliz uglevodorodnogo syr'ja / T. H. Muhina, N. L. Barabanov, S. E. Babash. — M.: Himija, 1987. - 240 c.
4. Piroliz JeKO [Jelektronnyj resurs] - Rezhim dostupa: http://pirolizeco.ru/kratkaya-istoriya-piroliza/, svobodnyj.
5. Tradicionnye i sovremennye tehnologii proizvodstva drevesnogo uglja -
[Jelektronnyj resurs] Rezhim dostupa: http://pelleta.com.ua/tradicionnye-i-sovremennye-
texnologii-proizvodstva-o2517.html, svobodnyj.
6. Proizvodstvo drevesnogo uglja, piroliz drevesiny. [Jelektronnyj resurs] - Rezhim dostupa: http://www.fierydragon.ru/piroliz_drevesini.html, svobodnyj.
7. Pechi Kuznecova. [Jelektronnyj resurs] - Rezhim dostupa: http://stove.ru/index.php?lng=&rs=124, svobodnyj.
8. Uglevyzhigatel'naja pech' UP«EVRO». [Jelektronnyj resurs] - Rezhim dostupa: http://uglezhog.ru/products/2008-12-22-10-52-09/rus/, svobodnyj.
9. Ustanovka dlja uglezhzhenija s povorotnymi retortami. [Jelektronnyj resurs] -Rezhim dostupa: http://blago-tt.ru/perspektivnye-razrabotki/ustanovka-dlya-uglezhzheniya-s-povorotnymi-retortami, svobodnyj.
10. Uglevyzhigatel'nye pechi malogo ob#ema [Jelektronnyj resurs] - Rezhim dostupa: http://les-vologodchiny.rf/uglevyzhigatelnye-pechi-malogo-obema, svobodnyj.
11. Patent na izobretenie 2235752 Rossijskaja Federacija, MPK51 C10B53/02 (2006/01) Pech' uglevyzhigatel'naja s reguljatorom teplovogo potoka / Bakaev V.V., Rubcov Ju.V., Solov'ev V.A., Gudim A.S.; zajavitel' i patentoobladatel' Komsomol'skij-na-Amure gos. tehn. un-t. - № 2003115483/15; zajavl. 23.05.2003; opubl. 10.09.2004.
12. KIPINFO Katalog priborov [Jelektronnyj resurs] - Rezhim dostupa: http://kipinfo.ru/pribori/4820/, svobodnyj.
13. Promyshlennye vysokotemperaturnye gigrometry serii HygroFlex. [Jelektronnyj resurs] - Rezhim dostupa: http://www.technoac.ru/product/ hygrometer/hygroflex, svobodnyj.
14. Ventiljatory radial'nye nizkogo davlenija VR 85-77 isp.1 (VR 80-75) [Jelektronnyj
resurs] - Rezhim dostupa: http://www.tayra.ru/production/5916037/
5919824/5916064/591603 8/, svobodnyj
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/09.pdf
