CC BY
115
УДК662.76
А. Р. Садртдинов, Л. М. Исмагилова РАЗРАБОТКА ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ОБРАЗЦА УСТАНОВКИ ПО УТИЛИЗАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА
Ключевые слова: древесные отходы, высокотемпературная обработка, древесный уголь, паровая конверсия, синтез-газ,
синтез диметилового эфира
В данной работе рассмотрена возможность производства альтернативного топлива - диметилового эфира из древесных отходов.. Исследованы процесс получения синтез-газа и синтез диметилового эфира. Разработан опытный образец установки переработки древесных отходов в диметиловый эфир.
Keywords: wood waste, high-temperature processing, charcoal, steam reforming, the synthesis gas, the synthesis of dimethyl ether.
In this article considered the possibility ofproducing alternative fuels - dimethyl ether from waste wood. Investigates the process ofproducing synthesis gas and dimethyl ether synthesis. The prototype of installation ofprocessing of wood waste to dimethyl ether.
По результатам исследования российского рынка лесозаготовки и лесопереработки, общий запас древесины Российской Федерации составляет больше 90 млрд. м3. Ежегодный объем промышленного прироста древесины составляет около 1 млрд м3, допустимый объем изъятия древесины - 626 млн м3 в лесах различного целевого назначения от всех видов рубок, в том числе в порядке выборочных рубок - 108 млн м3 [1].
Эффективное использование отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки является наиболее серьезной и пока не решенной проблемой лесного комплекса. Из-за низкого уровня технологических процессов деревопереработки процент древесных отходов на предприятиях лесной промышленности может достигать 60% [2, 3].
К настоящему времени разработаны и реализованы многие схемы переработки различных видов древесных отходов. Более традиционным способом утилизации является получение тепловой энергии посредством сжигания древесных отходов, тем не менее, целесообразность применения древесины в качестве энергетического топлива противоречива, так как она имеет низкую удельную теплотворную способность, а зачастую плохая организация сжигания, приводит к повышению уноса твердых частиц и выбросу оксидов азота в атмосферу [4, 5]. В свою очередь шведские ученые пропагандируют экономическую целесообразность теплоснабжения небольших поселков за счет сжигания так называемой топливной щепы из любых отходов древесной биомассы [1].
Новым направлением в области переработки древесных отходов для России, но уже известным в мире, является производство диметилового эфира, которое в последнее время очень актуально за счет его использования в качестве моторного топлива, позволяющего снизить выбросы вредных компонентов и повысить качество выхлопа дизельных двигателей [6, 7]. Из-за высокого цетанового числа (55-60), превышающего аналогичный показатель для дизельного топлива, и низкой температуры кипения (-25°С) диметилового эфира, его использование способствует ускорению процессов смесеобразования и сгорания,
сокращению периода задержки воспламенения, обеспечивает хороший пуск дизельных двигателей при низких температурах окружающей среды [8]. Высокое содержание кислорода в диметиловом эфире (35%) обеспечивает бездымное сгорание топлива и пониженный выброс окислов азота. Кроме того, диметиловый эфир может применяться как топливо для электростанций и как полупродукт, легко превращающийся в бензин, который характеризуется улучшенными экологическими характеристиками и минимальным содержанием нежелательных примесей. Так же диметиловый эфир используют в качестве хладагента, который безопасен для окружающей среды, а именно для озонового слоя атмосферы. [8].
Синтез диметилового эфира возможно осуществить из смеси водорода и оксида углерода (II), являющиеся основными компонентами синтез-газа. Процесс включает в себя следующие реакции: синтез метанола (1), его дегидратацию (2), реакции конверсии водяного пара (3), прямой синтез диметилового эфира из синтез-газа (4-5) [9].
2СО + 4Н2 СН3ОН (1)
2СН3ОН ~ СН3ОСН3 + Н2О (2)
Н2О + СО ~ СО2 + Н2 (3)
3СО + 3Н2 ~ СН3ОСН3 + СО2 (4)
2СО + 4Н2 ~ СН3ОСН3 + Н2О (5)
Исследования показывают, что повышение температуры положительно влияет на качество синтез-газа, получаемого при паровой конверсии древесного сырья [10]. На рис. 1 показана зависимость выхода компонентов синтез-газа от температуры ведения процесса.
Рис. 1 - Влияние температуры на выход Н2 (1), СО (2) и СО2 (3)
Из графика на рис. 1 следует, что температура в интервале 950-1000°С является наилучшей для получения синтез-газа с максимальным содержанием СО и Н2.
Опираясь на полученные данные по компонентному составу исходного газа была исследована зависимость степени его конверсии от соотношения Н2/СО (см. рис. 2).
Рис. 2 - Влияние соотношения Н2/СО на конверсию исходного сырья (280°С, 5 МПа)
Результат показал, что при прямом синтезе диметилового эфира (4) с соотношением Н2/СО=1 может достигаться наилучшая конверсия синтез-газа. Это дает предпосылки ведения каталитического синтеза диметилового эфира из синтез-газа, имеющее соотношение Н2: СО менее 2, а именно начиная со значений 0,6-1,1 [11]. Снижение значений соотношения Н2:СО в процессах каталитического синтеза химических продуктов упрощает способы производства синтез-газа.
При прямом синтезе диметилового эфира по реакции (4) имеется преимущество относительно реакции (5), которое заключается в предотвращении образования и накопления воды на катализаторе в процессе синтеза, приводящее к дезактивации катализатора.
В свою очередь в реакции (4) выделяется побочный продукт - СО2, однако процесс разделения диметилового эфира от диоксида углерода - это менее сложный и не потребляющий энергии процесс по сравнению с удалением воды, в случае реакции (5). В результате полученных данных и их анализа наиболее перспективным вариантом для ведения прямого синтеза диметилового эфира из синтез-газа, является процесс, основанный на реакции (4).
Результатом проработки и анализа, полученных экспериментальных данных процесса переработки древесного сырья в синтез-газ с дальнейшей его конверсии в диметиловый эфир, стала разработанная опытная установка, схема которой показан на рис. 3.
Согласно представленной схеме, древесные отходы поступают на стадию предварительной подготовки - в камеру конвективной сушки 4, после чего шнековым транспортером 5 подаются в камеру высокотемпературной обработки (пиролиза) 6, где происходит получение сырья с повышенным содержанием углерода (образование древесного
угля) и горючих (пиролизных) газов. Горючие газы направляют в котел-утилизатор 7 для получения технологического водяного пара. Продукты сгорания газов далее поступают в рубашку камеры высокотемпературной обработки 6, а после направляют на стадию подготовки древесного сырья в камеру конвективной сушки 4.
12 3 15 6 7
переработки древесных отходов в диметиловый эфир
С помощью дымососа 3, эжектора 17 и задвижки 2 организуется рециркуляция топочного газа. Отработанный сушильный агент отводится в дымовую трубу 1.
После получения в камере высокотемпературной обработки 6 сырья с требуемыми параметрами оно сбрасывается в камеру газогенерации 9, в которой подвергается паровой конверсии, за счет подачи высокотемпературного перегретого водяного пара через слои угля, в результате чего образуется синтез-газ.
Полученный синтез-газ, поступает в циклон 12 для очистки от золы и далее в рекуперативный теплообменник 18 для охлаждения. Очищенный и охлажденный синтез-газ собирают в ресивере 19, далее его компримируют до давления 4,5-5,0 МПа компрессором 20. Поток сжатого синтез-газа, проходит через нагреватель и направляется в реактор каталитического синтеза диметилового эфира 16. Выходящий из реактора газ, имеющий температуру 300 °С, поступает в теплообменник 15 для охлаждения. После полученная смесь продуктов поступает в сепаратор 14 для разделения газовой фазы от жидкой. Жидкая фаза, содержащая метанол и воду, поступает в приемник метанола-сырца 13, а газовая фаза поступает в конденсатор 10, где диметиловый эфир за счет оборотного охлаждения хладагентом конденсируется и поступает в приемник диметилового эфира 11.
Непрореагировавший синтез-газ направляется в линию рецикла.
Для контроля параметров процесса опытная установка оборудована устройствами для
определения расхода газов и жидкости, датчиками температуры, пробоотборниками синтез-газа, диметилового эфира и других продуктов.
Работа опытного образца установки основана на получение синтез-газа паровой конверсией древесного сырья при проведении совмещенного процесса высокотемпературной обработки и газогенерации с последующим каталитическим синтезом диметилового эфира.
Необходимо отметить, что возможность производства диметилового эфира из отходов ЛПК еще более привлекательна, поскольку весь углекислый газ, выделяющийся при сгорании топлива, будет использован деревьями в процессе их рекультивации. Что делает диметиловый эфир абсолютно чистым и возобновляемым источником энергии.
Представленные результаты получены в рамках реализации гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых на тему МК-3434.2015.8 «Разработка теоретических основ, технологии и оборудования комплексной термохимической переработки древесных отходов и растительной биомассы в сырье для химического синтеза и компоненты моторных топлив» (договор № 14.256.15.3434-МК от 16.02.2015 г.).
Литература
1. Садртдинов, А.Р. Перспективные направления переработки неликвидной древесной биомассы лесозаготовок и деревообработки / А.Р. Садртдинов, Л.М. Исмагилова, Р.Р. Мухаметзянов // Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - № 2-3 (7-3). - С. 117-119.
2. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов деревопереработки, содержащих токсичные вещества (статья) / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова. -Вестник Казанского технологического университета, 2011, №4, С.79-84.
3. Тунцев Д.В. Схема промышленной установки для переработки отходов лесного комплекса [Текст] / Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, А.М. Касимов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - Воронеж, 2014. Т. 2. № 3 - 2 (8 - 2). С. 445 - 448.
4. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса очистки дымовых газов, образованных при сжигании органических отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 11. - С. 243-246.
5. Тунцев Д.В. Совершенствование технологии и оборудования процесса термического разложения древесины в кипящем слое: дисс. канд. тех. наук: Казан. нац. исслед. технол. ун - т. - Казань, 2011.
6. Сафин, Р.Г. Разработка технологии переработки высоковлажных древесных отходов в высокооктановые компоненты моторного топлива / Р.Г. Сафин, Н. Ф. Тимербаев , А.Р. Садртдинов , Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. -
2013. - Т. 16. -№ 7. - С. 250-254.
7. Поздеев, А.Г. Разработка установки по переработке древесных отходов в компоненты моторного топлива / А.Г. Поздеев, А.Р. Садртдинов, Д.Б. Просвирников, В.А. Салдаев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т.16. - № 20. - С. 245-248.
8. Исмагилова, Л.М. Диметиловый эфир как продукт переработки древесных отходов [Текст]/ Л.М. Исмагилова // Материалы II Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса». Кострома, 2013 г. - С. 131-132.
9. Розовский, А.Я. Основные пути переработки метана и синтез-газа. Состояние и перспективы / А.Я. Розовский // Кинетика и катализ. - 1999. - Т.40. - №3. - С. 358-371.
10. Хузеев, М. В. Паровая конверсия древесного угля (статья) / М.В. Хузеев, З.Г. Саттарова, В.И. Петров. -Вестник Казанского технологического Университета,
2014. Т.17. №1. С.94-96.
11. Gong-Xin Qi. DME synthesis from CO/H2 over Cu-Mn/y-Al2O3 catalyst / Gong-Xin Qi, Jin-Hua Fei, Xiao-Ming Zheng and Zhao-Yin Hou // React.Kinet.Catal.Lett. - 2001. - Vol. 73. - №2. - С. 245-256.
© А. Р. Садртдинов - к.т.н. доцент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Л. М. Исмагилова - аспирант кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected].
© A. R. Sadrtdinov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, [email protected]; L. M. Ismagilova - postgraduate student, Department of wood Processing of materials KNRTU, [email protected].
