CC BY
61
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
УДК 621 592 А. А. АГЕЕВ
Ю. А. ПОТАПОВ В. Л. ЮША М. А. ЗЛОБИН
ЗАО «ГК "Титан"», г. Омск
Омский государственный технический университет
ПРИМЕНЕНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОРЕАКЦИОННЫХ УГЛЕРОДНЫХ ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА___________________________________________
В статье представлен анализ целесообразности совершенствования пиролизных установок применительно к технологиям получения высокореакционных углеродных восстановителей для производства кремния. Проведен анализ влияния конструктивных параметров теплоизоляции на величину тепловых потерь в проточной части пиролизных установок.
Ключевые слова: пиролиз, углеродный восстановитель, тепловой баланс, теплопередача, тепловые потери.
Долгосрочная программа развития лесопромышленного комплекса (ЛПК) Омской области на период 2012 — 2017 гг. предусматривает создание технологических циклов глубокой переработки древесного сырья как на действующих, так и на вновь создаваемых лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятиях. При этом ставится задача для получения различных видов продукции использовать не менее 90% заготовленного древесного сырья. В настоящее время в России ежегодно заготавливается около 0,5 млрд тонн биологической массы, из них в производство идет только 25 %, а в готовую продукцию превращается только 11% сырья [1]. В Омской области общий объём заготовленной в 2011 году древесины составил более 2 млн кубических метров. Это на 22% больше чем в предыдущем году. В числе основных задач для лесной отрасли региона в 2012 году — дальнейшее увеличение объёмов заготовки древесины [2].
В связи с этим становится актуальной проблема глубокой переработки отходов лесозаготовительного и деревообрабатывающего производства, являющихся не только ценным сырьём, но и одним из традиционных возобновляемых источников энергии [3-7].
Новый импульс для развития пиролизных технологий в Омской области придаёт Федеральный инвестиционный проект «ПАРК: промышленно-аграрные региональные кластеры», который реализуется в Омской области генеральным оператором проекта — ЗАО «Группа компаний "Титан"». Бизнес-идея промышленно-аграрных кластеров заключается в
создании нескольких взаимосвязанных между собой предприятий, занимающихся глубокой и безотходной переработкой сырья в продукты с высокой добавленной стоимостью. В настоящее время этот проект предполагает создание взаимосвязанных производственных комплексов по следующим направлениям: нефтехимический, агропромышленный, кремниевый (в т.ч. металлургический), лесозаготовительный и деревообрабатывающий.
Создание и развитие производства кремния — стратегическая государственная задача, реализуемая в программе «ПАРК». Для металлургического производства кремния требуется высококачественный органический углерод. Учитывая структуру лесопромышленного комплекса Омской области, состоящего преимущественно из маломощных, рассредоточенных по северным районам области предприятий с объёмом заготовок древесины не более 50 000 куб. м в год, актуальной задачей на сегодняшний день является создание в регионе производства древесного угля на базе автономных мобильных пиролизных установок. Реализация кремниевого направления предусматривает строительство в период до 2015 г. нескольких кремниевых заводов с общим объемом выпуска металлургического кремния 100 000 тонн в год. В настоящее время запущено производство кремния объемом 25 000 тонн в год. При этом требуемое количество восстановителей составляет около 100 000 тонн в год. Для переработки древесных отходов на предприятии ЗАО «ГК "Титан"» спроектированы малые пиролизные установки ретортного типа производительностью
до 2 000 тонн в год и крупная установка производительностью 50 000 тонн в год по конечному продукту (углеродные восстановители). Малые установки как правило размещаются на нижних складах лесозаготовительных предприятий и ориентированы только на переработку отходов древесины. Такие установки уже введены в эксплуатацию партнерами программы «ПАРК». Первым пусковым объектом кластера стал завод по производству органического углерода в с. Петрово Омской области на базе производственной площадки ООО «Кедр» — партнера проекта «ПАРК». Проектирование производственных участков этого завода выполнено с учетом новейших технологий и использования зарубежного опыта. Конструкция основного производственного оборудования — пиролизной установки, выполнена по модульному принципу и может трансформироваться в зависимости от необходимого количества перерабатываемого сырья. В настоящее время получаемая продукция отправляется на предприятие ТОО «Силициум Казахстан» (г. Караганда), где используется в качестве углеродного высокореакционного восстановителя при выплавке металлургического кремния.
В отличие от существующих пиролизных установок, вновь разработанные представляют собой более современные конструкции, по своим характеристикам превышающие известные зарубежные и отечественные аналоги за счёт эффективного использования возобновляемых источников энергии. Производство является экологически чистым и не наносит ущерб окружающей среде.
Особенности эксплуатации пиролизных печей, связанные с видом и качеством первичного сырья, структурой конечной продукции, производительностью, степенью автоматизации и т.п., предполагают их дальнейшее совершенствование. В числе целого ряда показателей, характеризующих эффективность конструкции таких установок, важнейшим остаётся их энергоэффективность. Можно предположить, что энергоэффективность пиролизной установки зависит от нескольких конструктивных факторов. В качестве примера рассмотрим влияние толщины теплоизоляции на величину тепловых потерь в окружающую среду.
Типовая схема установки приведена в [8]. Методика расчёта абсолютных и относительных тепловых потерь основана на расчёте теплового баланса пиролизной установки и определении его составных частей. Типовая расчётная схема пиролизной установки представлена на рис. 1.
Тепловой баланс пиролизной установки описывается следующим уравнением:
_ Опотери ~ Онагрев ~ @пиролиз ~ Осушка ~ @брос ,
/ // III
/, /> /і
Шсгораш Шпиро/к/за /Исушка
&потери! йпотери И (ЗптериН/
В, Вн Вт
Рис. 1. Расчётная схема пиролизной установки: I — топка; II — пиролизная камера;
III — сушильная камера
щ % ІО 30 20
39%
25% и
/ 18%
ш 6% 6% 6%
У/у '/// V/. У//
О 12 3 4 5 6 !,ч
Рис. 2. Диаграмма интенсивности выделения газа из древесины в пиролизном цикле [9]
* пиролиз
*сушка
Рис. 3. Зависимость величины тепловых потерь через стенки камер за время пиролизного цикла от толщины слоя теплоизоляции:
1 — топка; 2 — пиролизная камера;
3 — сушильная камера; 4 — суммарные потери
где Осг — теплота сгорания пиролизного газа, Дж; О — тепловые потери в результате теплопере-
потери 11./ 1
дачи через стенки камер в окружающую среду, Дж; Онагрев — теплота нагрева древесной массы до технологической температуры, Дж; О — теплота, не-
1 ■' 1 1 г пиролиз
обходимая для обеспечения процесса пиролиза, Дж; Осутка — теплота, необходимая для удаления влаги из древесины, Дж; Оброс — теплота, содержащаяся в выходном газе, Дж.
Масса абсолютно сухой древесины в одной реторте определяется с использованием геометрических параметров реальной реторты, коэффициента наполняемости и плотности древесины. Тепловыми потерями через люки установки и выемки реторт
пренебрегаем. Суммарный объём выделившегося газа определяется с учётом суммарной массы древесины и интенсивности выделения пиролизного газа из древесины в пиролизном цикле (рис. 2) [9].
Теплота сгорания пиролизного газа за полный цикл пиролиза определяется следующим образом [10]:
Осг =Уг-хг, Дж,
где V — суммарный объём выделившегося газа, м3; хг — удельная объёмная теплота сгорания пиролизного газа, Дж/ м3.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА- ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Чі
Рис. 4. Зависимость первоначальных затрат на теплоизоляционные материалы от толщины слоя теплоизоляции:
1 — топка; 2 — пиролизная камера;
3 — сушильная камера; 4 — суммарные затраты
Тепловые потери в результате теплопередачи через стенки камер определяются с учётом реальных температур в камерах пиролизной установки, толщины изоляции стенок и свойств материала теплоизоляции [11-13]:
^потери — к'®'Р, Дж,
где к — коэффициент теплопередачи через стенку, Вт/м2К; © — температурный напор, К; F — площадь поверхности теплопередачи, м2; т — время полного цикла пиролиза, с.
Расчёт затрат теплоты на нагрев древесины в ретортах производится с учётом соотношения между температурой газа в камере и температурой древесины (начальная температура древесины принимается равной температуре окружающей среды):
^нагрев _ ‘ С' ® ,
где т — масса реторты с древесиной, кг; С — теплоёмкость древесины, Дж/кгК; © — разность температур, К.
Количество теплоты, необходимое для поддержания полного цикла пиролиза [14]:
Onup=m■n, Лж
где т - масса абсолютно сухой древесины в ретортах, кг; п — удельное теплопотребление процесса пиролиза [14], Дж/кг.
Теплота, необходимая для испарения воды, содержащейся в древесине, определяется с учётом влияния типа древесины и времени года для свеже-срубленного дерева [15]:
@сушка = твода ' ^ , Дж,
где твода — масса воды содержащейся в суммарном объёме древесины, кг; Ь — удельная теплота парообразования воды, Дж/кг.
Расчёт капитальных затрат, связанных с наличием в конструкции пиролизной установки теплоизоляционного материала, учитывает геометрические размеры стенок рабочих камер и толщину теплоизоляции (жаростойкий бетон, плиты МКРП [13]). На рис. 3, 4 представлены результаты расчётов, отражающие влияние толщины теплоизоляции на величину тепловых потерь и стоимость изоляции. Как видно из представленных результатов, доля внешних тепловых потерь невелика по отношению к количеству теплоты отходящих газов (для рассматриваемой установки — не более 10%), однако
Рис. 5. Зависимость периода окупаемости от толщины слоя теплоизоляции:
1 — топка; 2 — пиролизная камера;
3 — сушильная камера; 4 — все камеры и топка
их использование позволит обеспечить отопление около 1000 кв. метров жилых помещений (либо от 500 до 800 кв. метров помещений административного, торгового, социально-культурного назначения, либо до 900 кв. метров производственных помещений) [16—18]. Важно отметить, что при рациональном распределении толщины теплоизоляции в конструкции пиролизной установки сроки окупаемости затрат на теплоизоляцию становятся достаточно привлекательными (рис. 5).
Кроме рассмотренной, актуальными являются задачи по совершенствованию технологического режима и конструкции пиролизной установки, связанной с необходимостью снижения тепловых потерь за счёт снижения перепада температур на стенках камер, оптимизации тепловых потоков и их многоуровневой утилизации, возможность функционирования на различном сырье.
Библиографический список
1. Лесная промышленность России [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Лесная_ промышленность_России (дата обращения: 09.05.2012).
2. Объём лесозаготовки в Омской области [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://omskportal.ru/ru/ government/News/2012/03/05/1330922471180 (дата обращения: 09.05.2012).
3. Козлов, В. Н. Технология пирогенетической переработки древесины / В. Н. Козлов — М. : Гослесбумиздат, 1954. — 615 с.
4. Miller R.S., Bellan J. A generalized biomass pyrolysis model based on superimposed cellulose, hemicellulose and lignin kinetics / Combact. Sci. and Nech, 1997. — P. 126.
5. Исследование процесса термоокислительного пиролиза биомассы в плотном слое / М. В. Губинский [и др.] // Металлургическая теплотехника : сб. науч. тр. Национальной металлургической академии Украины. — Днепропетровск : Пороги, 2007. - С. 283-291.
6. Prakash N., Karunanithi N. Kinetic modeling in biomass pyrolysis — A review // Department of Chemical Engineering, Annamalai University, Annamalai Nagar, India/ Jornal of Applied Sciences Research, 4 (12), 2008. — p. 1627— 1636.
7. M.W. van de Weerdhof. Modeling the pyrolysis of biomass particles // Eindhoven University of Technology Department of mechanical engineering Section Combustion Technology, 2008. — P. 70
8. Злобин, М. А. Анализ тепловых потерь в установках производства органического углерода на примере пиролизных агрегатов ООО «Кедр» Тевризского района Омской области / М. А. Злобин // Техника и технология современного нефтехимического производства : материалы 2-й науч.-техн. конф.
(Омск, 11 мая 2012 г.). В 2 кн. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. — С. 102-107.
9. Химическая технология древесины / А. К. Славянский [и др.]. — М. : Гослесбумиздат, 1962. — 573 с.
10. Исследование термического разложения биомассы в режиме фильтрационного горения / Е. В. Кремнева [и др.] // Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. — Вып. 2. — Днепропетровск : Изд-во НМетАУ, 2009. — С. 126 — 136.
11. Нащокин, Б. В. Техническая термодинамика и теплопередача / Б. В. Нащокин — М. : Высш. школа, 1980. — 469 с.
12. Михеев, М. А. Краткий курс теплопередачи / М. А. Михеев — М. : Госэнергоиздат, 1961. — 208 с.
13. Горлов, Ю. П. Технология теплоизоляционных материалов / Ю. П. Горлов. — М. : Уник, 1987. — 268 с.
14. Кислицын, А. Н. Пиролиз древесины. Химизм, Кинетика, Продукты, Новые процессы / А. Н. Кислицын. — М .: Лесная промышленность, 1990. — 169 с.
15. Свойства древесины [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://brigadeer.ru/svojstva-drevesiny/vlazhnost-drevesiny-tablicy-i-formuly.html (дата обращения: 01.05.2012).
16. СНиП 2.08.01 — 89. Строительные нормы и правила. Жилые здания. — М. : ЦНИИЭП, 2000. — 134 с.
17. СНиП 41 — 01 — 2003. Строительные нормы и правила.
Отопление, вентиляция и кондиционирование. — М. : ЦНИИЭП, 2004. - 76 с.
18. СНиП 23-09-99. Строительная климатология. — М. : НИИСФ, 2000. - 112 - С.
АГЕЕВ Анатолий Анатольевич, генеральный директор ЗАО «ГК "Титан"», г. Омск.
ПОТАПОВ Юрий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), руководитель лесоперерабатывающего направления ЗАО «ГК "Титан"», г. Омск.
ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Холодильная и компрессорная техника и технология» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
ЗЛОБИН Михаил Алексеевич, студент группы ВК-518, кафедра «Холодильная и компрессорная техника и технология» ОмГТУ.
Адрес для переписки: yusha@omgtu.ru
Статья поступила в редакцию 12.07.2012 г.
© А. А. Агеев, Ю. А. Потапов, В. Л. Юша, М. А. Злобин
УДК 621.3132 Д. А. АХУНОВ
Омский государственный университет путей сообщения
ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ КОНТРОЛЯ ПРОФИЛЯ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ВИХРЕТОКОВЫМ МЕТОДОМ_____________________________________
Статья посвящена актуальной проблеме повышения достоверности контроля профиля коллектора электрических машин вихретоковым методом. По результатам проведенных исследований предложен алгоритм программной обработки экспериментальных данных, позволяющий повысить помехоустойчивость вихретокового прибора контроля профиля коллектора при проведении приемо-сдаточных испытаний тяговых электродвигателей в локомотивных депо.
Ключевые слова: профиль коллектора, тиристорный преобразователь, помехоустойчивость, медианный фильтр, апертура фильтра.
Одним из важнейших факторов, влияющих на работу коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока (МПТ), является состояние рабочей поверхности коллектора. Контроль профиля коллектора является важной задачей на всех этапах жизненного цикла машины. Например, анализ профиля коллектора тягового электродвигателя (ТЭД) после капитального ремонта в условиях локомотивного депо позволяет сделать заключение о качестве ремонта коллектора ТЭД [1].
Известны различные способы контроля профиля коллектора, отличающиеся как методами измерения и применяемыми средствами, так и величиной погрешности, характерной для того или иного метода.
Наибольшее распространение получил бесконтактный вихретоковый метод, используемый, например, в приборе контроля профиля коллектора
Рис. 1. Внешний вид экспериментальной установки
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
223
