CC BY
152
УДК 66. 092 - 977
Р. Г. Сафин, Р. Р. Зиатдинов, А. В. Сафина, А. Р. Хабибуллина
ПИРОЛИЗНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
В ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ
Ключевые слова: пиролиз, древесные отходы, установка, жижка, древесный уголь, пиролизный газ, конденсация.
В статье дан обзор исследований проведенных на кафедре переработке древесных материалов по переработке древесных отходов лесопромышленного комплекса. Представлено описание технологии и аппаратурное оформление процесса пиролиза древесных отходов в непрерывно действующей вертикальной реторте.
Keywords: pyrolysis, wood waste, installation, zizka, charcoal, pyrolysis gas, condensation.
The article provides an overview of research conducted at the Department of wood materials to wood materials pyrogenetic. Provides descriptions of technologies and hardware design of the pyrolysis of wood materials.
Исследования по пиролизу древесины на кафедре переработки древесных материалов (ПДМ) начаты в начале 2004 г. [1^3]. Целью исследований была оптимальная переработка отходов деревообработки в древесный уголь. В результате была создана углевыжигательная печь [4], на которой было показано, что пиролизная переработка позволяет не только получить ценные продукты из древесных отходов, но и утилизировать древесные отходы, включающие в себя токсичные вещества [5]. При этом, вопрос сепарации жидких продуктов пиролиза занимает особое место, т.к. при прохождении пирогазов они частично могут сконденсироваться с последующей полимеризацией на внутренних поверхностях трубопроводов.
Для предотвращения указанных явлений установка пиролиза должна иметь хорошую теплоизоляцию и специальную конструкцию конденсатора.
Для сепарации из пиролизов жидких продуктов пиролиза целесообразно использование конденсаторов смешения эжекционного типа.
Пиролиз древесины включает в себя ряд взаимосвязанных процессов нагрева, сушки, термической деструкции высокомолекулярных соединений, состоящих из множества параллельно протекающих элементарных взаимодействий и охлождения. При этом вначале протекают эндотермические процессы со значительным потреблением тепловой энергии, а затем -экзотермические процессы: экзотермические реакции, процессы конденсации, охлаждения продуктов реакций [6^15].
В связи с этим на кафедре ПДМ ведутся разработки технологий и аппаратурных оформлений установок пирогенетической переработки древесины с максимальной рекуперацией тепловой энергии [16^25]. Для рекуперации тепловой энергии в разработанных установках [26,27] использованы тепловые насосы, рекуперативные теплообменники.
При переработке древесных отходов в виде щепы рекомендуется установка шахтного типа [27] (рис. 3), в которой с помощью теплового насоса,
тепло передается из зоны охлаждения древесного угля в зону нагрева технологической щепы.
Рис. 1 - Пирогенетическая установка шахтного типа
Установка для производства древесного угля включает вертикальную реторту непрерывного действия 1, имеющую зону сушки 2, зону пиролиза 3, зону охлаждения 4, зону накопления 5; патрубок 6 вывода пиролизных газов; патрубок 7 подачи топочных газов в зону сушки; дозирующий выгружатель угля 8 с непрерывной выгрузкой; топку 9; дымовую трубу 10; эжектор 11, соединенный всасывающим трубопроводом с вертикальной ретортой 1, подающим трубопроводом с разделительным аппаратом 12 и нагнетающим трубопроводом с зоной накопления жижки 13 через насос 14 для циркуляции жижки; дозирующий загружатель технологического сырья 15 с непрерывной загрузкой; конденсатор 16; рекуперативный теплообменник 17; эжектор неконденсирующихся газов 18; воздуходувку 19;
дымосос 20; регулятор температуры топочных газов 21, подаваемых в зону сушки 2; регулятор температуры жижки 22. Зона накопления 5 снабжена патрубками подвода 23 и отвода 24 воздуха. Зоны сушки 2, пиролиза 3, охлаждения 4 и накопления 5 изолированы барабанными питателями 25, 26, 27, при этом верхняя часть зоны пиролиза 3 и верхняя часть зоны охлаждения 4 вертикальной реторты 1 сообщены между собой тепловой трубой 28, а зона сушки 2 и зона охлаждения 4 сообщены между собой через конденсатор 16.
Пирогенетическая установка работает следующим образом.
Через дозирующее устройство 15 технологическое сырье (древесную биомассу) подают в зону сушки 2 вертикальной реторты 1, где его сушат и прогревают до 200°С, за счет подачи топочных газов через патрубок 7. Затем топочные газы в виде парогазовой смеси удаляют из зоны сушки 2 в конденсатор 16, при этом температура отводящихся топочных газов поддерживается в пределах 100°С.
Из зоны сушки 2 через барабанный питатель 25 древесные отходы поступают в зону пиролиза 3, где температура сырья возрастает до 350°С за счет тепловой трубы 28 и конвективных потоков пиролизного газа, а затем до 500°С за счет тепла, выделяющегося в процессе экзотермических реакций. В зоне пиролиза 3 происходит выделение пирогазов и образование угля.
Для отвода образовавшихся пирогазов из зоны пиролиза 3 в разделительном аппарате 12 используют жижку, которую из зоны накопления жижки 13 нагнетают насосом 14 в эжектор 11. Температуру жижки в разделительном аппарате 12 изменяют регулятором 22 в зависимости от значений измерительного прибора 33, измеряющего температуру топочных газов на выходе из зоны сушки 2. При повышении температуры топочных газов выше 100°С температура жижки понижается, в результате увеличивается ее выход и сокращается подача несконденсировавшихся газов в топку 9. Для предотвращения заполнения разделительного аппарата 12 жижка при достижении уровня патрубка 29 переливается в отдельный резервуар 30.
Из разделительного аппарата 12 несконденсировавшиеся пирогазы отводят эжектором 18 и направляют в топку 9, где их сжигают. Температура получаемых в топке 9 топочных газов достигает 1000°С.
Образовавшийся в зоне пиролиза 3 уголь через барабанный питатель 26 поступает в зону охлаждения 4 и охлаждается до 150°С сначала за счет отдачи тепловой энергии углем тепловой трубе 28 (которая в свою очередь дополнительно нагревает технологическое сырье в зоне пиролиза 3), а затем за счет отдачи тепла сухим топочным газам, поступающим из конденсатора 16.
Тепловая труба 28 представляет собой две системы, сообщающиеся между собой трубами, выполненные из соосно расположенных трубных тепловых рубашек. Верхняя система находится в
верхней части зоны пиролиза 3, а нижняя - в верхней части зоны охлаждения 4. Полость нижней системы на четверть заполнена теплоносителем. В качестве теплоносителя используется
полиэтиленгликоль, имеющий низкое парциальное давление паров.
Древесная масса, проходя между трубными тепловыми рубашками в зоне пиролиза 3, нагревается за счет конденсации паров теплоносителя. Конденсат стекает в нижнюю систему, расположенную в зоне охлаждения 4, и вновь испаряется, охлаждая угольную массу, проходящую между трубными тепловыми рубашками в зоне охлаждения 4.
Сухие топочные газы, проходя через зону охлаждения 4, нагреваются до температуры 400°С и направляются в рекуперативный теплообменник 17, где они охлаждаются до 150°С. Часть охлажденных газов направляются дымососом 20 в трубопровод 31, что позволяет за счет регулятора 21, соединенного с измерительным прибором 34, регулировать температуру топочных газов, поступающих через патрубок 7 в зону сушки 2.
Из зоны охлаждения 4 через барабанный питатель 27 уголь попадает в зону накопления 5, где дополнительно охлаждается до температуры, примерно 40°С, за счет отдачи тепла воздуху, подаваемому через патрубок 23 воздуходувкой 19, и выгружается через дозирующий выгружатель 8. Воздух в зоне накопления 5 прогревается до 100°С и через патрубок 24 воздуходувкой 19 направляется в рекуперативный теплообменник 17, где температура воздуха возрастает до 350°С, а затем нагнетается в эжектор 18.
Для первоначального запуска установки через вентиль 32 в топку 9 подают природный газ. С началом подачи пирогазов из разделительного аппарата подачу природного газа через вентиль 32 прекращают.
Анализ разработанной инструкции показывает, что при переработке в данной установке некачественно измельченной древесной щепы возможно образование сводов технологического сырья и твердых продуктов переработки, ведущее к прекращению их движения и остановке процесса.
В связи с этим следует изменить конструкцию питателей 25,26,27, предназначенных для изоляции зон сушки, пиролиза и охлаждении друг от друга. Кроме того, древесный уголь, производимый данной установкой, обладает низкой сорбционной активностью. Для повышения качества древесного угля следует производить ее активацию, требующую дополнительные затраты.
Проведение процесса активации древесного угля непосредственно в разработанной установке перед охлаждением позволит значительно сократить энергозатраты на проведение процесса. Эти затраты могут быть еще более снижены при активировании древесного угля паром, выработанным путем утилизации, выделяющейся в процессе пиролиза, тепловой энергии.
Жижка, получаемая в предлагаемой установке, содержит значительное количество воды.
[26] Сепарация жижки от воды также требует дополнительных затрат.
Сепарация пирогазов от жидкой фазы непосредственно в разработанной установке на обезвоженную жижку, воду и неконденсирующиеся газы также позволит значительно сократить энергозатраты.
При этом появляется возможность охлаждения жижки, поступающей в эжектор 11, не через стенку, а непосредственно смешением с холодной водой.
Вышеприведенный анализ ставит новые задачи по усовершенствованию разработанной конструкции установки производства древесного угля [28,29].
Литература
1. Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Валеев И. А. Пиролизная установка для переработки древесных отходов // "ММТТ-17". г. Кострома. -2004. -Т.9.-С. 135.
2. Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Валеев И.А. Экспериментальное исследование влияния давления при пиролизе древесины // Вестник Казанского технологического университета // №1. -2005. -С. 256-260.
3. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Валеев И.А. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды // Вестник Московского государственного университета леса // №2. - 2005.-С. 168174.
4. Патент РФ №2256686. Углевыжигательная печь /Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Валеев И.А. и др. -Бюл. № 18, 2005.
5. Патент № 2346023, МПК С10В53/02, Б230027. Установка для пиролиза древесины / Грачев А.Н., Исхаков Т.Д., Сафин Р. Г. и др.. - Бюл. № 4, 2009 г.
6. Грачев А.Н. Пиролиз отходов предприятий деревообрабатывающей отрасли / / Грачев А.Н., Исхаков Т.Д., Валеев И.А., Иманаев Р.М. // Вестник Казанского государственного технологического университета. - 2006. -№6-Ч11. -С.71-77
7. Исхаков Т.Д. К вопросу утилизации отработанных деревянных гпал / Т.Д. Исхаков, А.Н. Грачев, П.А. Кайнов, А.И. Ахметзянов // Известия Самарского научного центра РАН. Самара. - 2008. С.21-24
8. Исхаков Т.Д. Энерго- и ресурсосберегающие 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.156-160
9. Патент № 2171274, МПК С11В13/02 Установка для извлечения кислот из соапстока / Сафин Р.Г., Башкиров В.Н., Лашков В. А. и др., Бюл №21, 2001.
10. Грачев А.Н. Экспериментальные исследования скорости убыли массы древесины в процессе абляционного пиролиза / А.Н. Грачев, Р.Г. Хисматов, А.А. Макаров, Р.Г. Сафин // Лесной журнал. Архангельск. - 2009 №4, -С. 116-123.
11. 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 академии наук, -2008, - С.25-29
12. А.Н. Грачев Математическая модель термического разложения древесины / А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин, А.В. канарский, А.Т. Сабиров, Р.Г. Хисматов // ИВУЗ. Проблемы Энергетики, 2010. №6, -С.79-85
13. Макаров А.А. Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме / А.А. Макаров, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин, А.Т. Шаймуллин // «Вестник КГТУ». -2011.№8, - С.68-73
14. Грачев А. Н. Результаты математического моделирования термического разложения древесины в абляционном режиме / А.Н. Грачев, А.А. Макаров, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2011. - №14 -С.77-82.
15. 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 казанского технологического университета. - 2011. - №14. - С. 130-137.
16. Грачев А.Н. Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза отходов деревообработки / А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин, М.А. Таймаров, К.Х. Гильфанов, Д.В. Тунцев // Известия вузов. Проблемы энергетики, -2009. -№ 11-12. -С.80-83
17. Сафин Р. Г. Современное состояние процесса пирогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И. Хуснуллин // Вестник казанского технологического университета. - 2011. - №3. - С. 169-173.
18. Сафин Р. Г. Моделирование процесса сушки древесных частиц при кондуктивном подводе тепла / Н. Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева // Вестник казанского технологического университета. - 2011. - №4. - С. 84-88.
19. Тимербаев Н. Ф. Моделирование процесса пиролиза древесины в установке для производства древесного угля / Н.Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, И. И. Хуснуллин // Вестник казанского технологического университета. - 2011. - №9. - С. 51-56.
20. Сафин Р. Г. Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в установке для производства угля / Н. Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, И.И. Хуснуллин // Вестник казанского технологического университета. - 2011. -№18. - С. 69-75.
21. Сафин Р.Г. Непрерывно действующая мобильная установка для производства древесного угля / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, в.В. степанов // Вестник казанского технологического университета. - 2011. - №18. - С. 201-205.
22. 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.
23. Сафин Р.Г. Энергонезависимая установка непрерывной переработки древесных отходов / Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, И. И. Хуснуллин // Вестник казанского технологического университета. - 2013. - №16. - С. 183-188.
24. Сафин Р. Г. Технологическая схема газификации жидкого продукта контактного пиролиза / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, З.Г. Саттарова // Вестник казанского технологического университета. - 2013. -Т.16. №19. - С. 139-141.
25 Сафин Р.Г. Технологическая схема подготовки жидких продуктов пиролиза древесных отходов к газификации / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Вестник казанского технологического университета. - 2013. - Т.16. №21. - С. 258-260.
26. Сафин Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств. - М.:2002. - С.659-663.
27. 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.
28. 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.
29. Сафин Р.Г. Пирогенетическая переработка древесных материалов / Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университата. - 2014 г. Т№ 17 № 9. - с. 8892.
© Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, зав. кафедрой переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; Р. Р. Зиатдинов - к.т.н., доцент той же кафедры, radis226@rambler.ru; А. В. Сафина - к.т.н., доцент той же кафедры, cfaby@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 КМЯТИ, safin@kstu.ru; R. R. Ziatdinov -candidate of technical sciences, associate professor of the same chair; А. V. Safina — candidate of technical sciences, associate professor of the same chair, cfaby@mail.ru; А. R. Khabibullina — undergraduate associate professor of the same chair, almira-h@rambler.ru.
