CC BY
29
УДК 691.17, 674.04, 615.45
И. А. Валеев, Р. А. Газизов
РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЫРЬЯ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ПРОИЗВОДСТВЕ СОРБЕНТА МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ключевые слова: древесина, древесные отходы, древесный уголь, пиролиз, установка для пиролиза, сорбенты, активированный уголь, активный уголь, сорбенты медицинского назначения.
Анализ потребления активного угля на международном рынке показал востребованность данной тематики, как для медицинской, так и для большинства отраслей промышленности. Проведенные ранее исследования показали возможность использования древесных отходов в качестве сырья для производства активированного угля. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана промышленная установка для пирогенетической переработки древесных отходов в древесный уголь, определены оптимальные параметры исследуемого процесса.
Keywords: wood, waste wood, charcoal, pyrolysis, pyrolysis unit, sorbents, activated charcoal, activated carbon sorbents medical
purpose.
Analysis of the consumption of activated carbon in the international market has shown the demand of the subject, both for health and for the majority of industries. Previous studies have shown the possibility of using wood waste as a raw material for the production of activated carbon. On the basis of theoretical and experimental research was developed pyrogenetic plant for processing wood waste into charcoal, the optimal parameters of the process under investigation.
Ухудшающаяся экологическая ситуация вынуждает находить эффективные способы получения дешевых сорбентов естественного происхождения из легко перерабатываемого и дешевого сырья. Одним из видов сырья для таких сорбентов является активированный уголь.
По статистическим сведениям специалистов информационно-аналитической службы фирмы "Sutcliffe Speakman Carbon Ltd." подушевое потребление активных углей в настоящее время составляет, кг/чел.-год: Япония - 0.47; США - 0.40; Россия - 0.08. Причем следует отметить, что в работе зарубежных фирм, в отличие от России наблюдается направление по специализации выпуска определенных типов углеродных сорбентов.
Отходы древесины являются наиболее приемлемым сырьем для производства древесного угля исходя из экономических и экологических соображений.
Одним из оптимальных видов переработки древесных отходов является пиролиз. Простота аппаратурного оформления, разнообразие получаемых продуктов, лёгкость регулирования режимных параметров делают этот метод наиболее перспективным.
При переработке древесных отходов методом пиролиза получают древесный уголь, являющийся ценным сырьем для различных производств и пользующийся устойчивым спросом, как в России, так и за рубежом, находящий применение в быту, химической, металлургической, медицинской и других промышленностях.
При дальнейшей переработке жижки, продукта конденсации паровой смеси получают компоненты, используемые в производстве дёгтя и ветеринарного препарата ПЯ (противоящурного), коптильные препараты для холодного и горячего копчения мясных, молочных и рыбопродуктов, смолу древесно-омыленную, а также древесно-смолянные
креозотовые масла, отличающиеся
антисептическими свойствами и использующиеся для антисептической обработки юфтевых кож на кожевенных заводах взамен токсичного оксидифенила, и многие другие соединения.
Неконденсирующиеся газы можно использовать как для проведения самого процесса пиролиза, так и для получения дешёвой энергии при его сжигании.
Однако существующие технологии по проведению процесса пиролиза не отвечают техническим требованиям, таким как качество получаемого угля, продолжительность процесса, улов газообразных продуктов и рассчитаны в основном на эксплуатацию на крупных деревообрабатывающих предприятиях.
Разработанная установка обеспечивает переработку длинномерных и короткомерных отходов лесозаготовок и деревообработки в древесный уголь. Высокая производительность, малая трудоемкость и низкие затраты на эксплуатацию установки обеспечивают дешевизну угля и быструю окупаемость установки. При работе пиролизной установки используются наиболее оптимальные температурные методы проведения процесса углежжения. Предусмотрена возможность регулирования режимных параметров и изменения количества, состава получаемых продуктов и поддержания оптимальных условий термического разложения древесины, что не только сокращает продолжительность процесса и снижает затраты на его проведение, но и обеспечивает высокое качество древесного угля за счёт рационального распределения тепла внутри камеры пиролиза и позволяет изменять выходы конечных продуктов. Излишки тепла, образующиеся при работе установки, идут на подсушку сырья для пиролиза в сушильную камеру. Установка представляет собой последовательно соединённые модули:
углевыжигательную печь, состоящую из камеры пиролиза 1 и контейнера 2, топку, выполненную в
виде последовательно соединённых газогенератора 3 и камеры сгорания 4, систему конденсации и охлаждения парогазовой смеси, состоящей из конденсатора 5, сборника конденсата 6, и воздуходувки 7, а также камеру сушки 8, используемой для подсушки пиролизного сырья (рис. 1).
загружают в камеру пиролиза и закрывают крышкой. Другой контейнер с сырой древесиной помещают в камеру сушки.
Рис. 1 - Установка для пирогенетической переработки древесных отходов
Корпуса камер пиролиза (рис. 2) и сушки (рис. 3) снабжены теплоизоляцией 9 для предотвращения тепловых потерь. Перфорированные коллектора 10, закреплены к нижней части контейнера, соединенного при помощи уплотнительного узла, с газоходом топки 11 оборудованным шиберной задвижкой. Камера пиролиза и камера сушки закрываются сверху крышками через уплотнительные узлы. Газогенератор снабжён шнековым питателем 12 с электроприводом, бункером отходов и ленточным конвейером. Газогенератор трубопроводом соединён с камерой сгорания, снабжённой для стабилизации пламени турбулизаторами и состоящей из основной газовой горелки и горелки дожига неконденсирующихся пирогазов. К газогенератору и камере сгорания нагнетающими трубопроводами, снабжёнными задвижками, присоединена воздуходувка. Камера пиролиза в верхней части трубопроводом сообщается с системой конденсации, включающей охладитель парогазовой смеси и сборник конденсата, соединенный трубопроводом с воздуходувкой (рис. 4). Трубопровод соединён через задвижки с камерой сгорания, газоходом и через задвижку с атмосферой. Межтрубное пространство охладителя трубопроводами с теплоизоляцией соединено с калориферами камеры сушки.
Камера пиролиза имеет ряд технологических отверстий для установки термопар, и металлического щупа, для контроля готовности угля. В нерабочем состоянии отверстия закрывают резьбовыми пробками.
Камера сушки представляет собой конструкцию, аналогичную камере пиролиза, дополнительно снабженную калориферами 13, воздуходувкой и люком для осушения воздуха.
Процесс получения древесного угля в установке осуществляется следующим образом. Контейнер с предварительно подсушенной древесиной
Рис. 2 - Камера пиролиза
Неликвидные отходы деревообработки, загружаются в бункер ленточным конвейером и шнековым питателем подаются в необходимом количестве в газогенератор. Включается воздуходувка, запускается газогенератор и начинается процесс газогенерации. Генераторный газ, вырабатываемый газогенератором, поступает в камеру сгорания. Осуществляется поджёг основной горелки камеры сгорания и открывается задвижка нагнетательного трубопровода, подающего воздух в камеру сгорания.
Рис. 3 - Камера сушки
Топочные газы, проходя через газоход и перфорированные коллекторы, распределяются по
10
11
9
8
всей площади камеры пиролиза, равномерно обогревая пиролизное сырьё, и охлаждаясь, выбрасываются в атмосферу.
Начальная стадия процесса переугливания идёт с поглощением тепла, выделяемого печью. После того как древесина разогреется до температуры 120-150°С, происходит потеря связанной влаги и начинается процесс разложения менее стойких органических веществ с образованием углекислого газа, окиси углерода и уксусной кислоты. Дальнейшее нагревание древесины до температуры 150-275°С вызывает процесс переугливания. Неконденсирующиеся газы подаются на дожег в камеру сгорания.
5 4 12
Рис. 4 - Блок топки и конденсации
Ход процесса переугливания контролируется по температуре в верхней и нижней частях камеры пиролиза, измеряемой термопарами. При температуре 275-450°С происходит бурное выделение тепла, и образование основного количества продуктов разложения. Прокаливание угля и удаление летучих веществ происходит при температуре 450-550°С.
Готовность угля определяется прощупыванием продуктов переугливания в камере металлическим щупом через отверстия в нижней части корпуса камеры пиролиза и в контейнере по величине сопротивления прокалыванию.
В течении всех стадий процесса переугливания древесины смесь паров конденсируется в кожухотрубчатом теплообменнике и собирается в сборник. Теплоноситель из рубашки теплообменника при помощи насоса подается в калориферы сушильной камеры или отводиться потребителю.
После окончания процесса пиролиза начинается процесс охлаждения древесного угля. Пирогазы, проходя через кожухотрубчатый теплообменник, охлаждаются и подаются по трубопроводу в газоход топки, где рассеиваясь через перфорированные коллекторы, поднимаются вверх, и, проходя через слой готового угля, интенсивно охлаждают его до 50°С.
По окончании процесса охлаждения извлекаются термопары. Затем тельфером открывается крышка и осуществляется выгрузка
контейнера, угля из контейнера и установка в камеру пиролиза контейнера с подсушенным сырьём, а в камеру сушки - контейнера с подготовленным для сушки сырьём.
Благодаря использованию контейнера с перфорированными коллекторами, обеспечивается рациональная структура движения топочного газа внутри камеры пиролиза и равномерный нагрев всего объема древесины, что позволяет обеспечить стабильное качество продукта. Кроме того, в установке осуществляется сбор жидких и утилизация газообразных продуктов пиролиза.
Использование тепла пиролиза в смежной сушильной камере способствует уменьшению времени затраченного на сушку, обеспечивается непрерывность процесса (пиролиз-сушка); интенсификация процесса охлаждения с использованием конденсатора позволяет
значительно сократить время, затраченное на охлаждение угля, что в значительной степени позволяет сократить продолжительность технологического процесса в целом.
Топочный газ, получаемый из генераторного газа, вырабатываемого в газогенераторе, содержит минимальное количество вредных веществ, и значительно уменьшает выбросы в атмосферу. Использование газогенератора позволяет перерабатывать неликвидное сырьё от деревообработки и лесопиления, а также древесно-угольную мелочь, неизбежно образующуюся в процессе получения древесного угля.
Все блоки являются передвижными и могут перевозиться железнодорожным и автомобильным транспортом к месту эксплуатации. Установка может эксплуатироваться на "нижних" и "верхних" складах лесопромышленных предприятий, так как не требует специальной дорогостоящей подготовки участка, на котором будет устанавливаться.
Таким образом, в данной установке достигается больший процент выхода угля и лучшее качество по сравнению с аналогичными устройствами за счет обеспечения идентичных условий процесса во всех частях камеры и сокращения времени процесса сушки.
Литература
1. Валеев И. А, Термическая утилизация отходов предприятий деревообрабатывающей отрасли / Валеев И. А., Сафин Р.Г., Грачёв А.Н., Кайнов П. А., Башкиров В.Н.// Лесной вестник, №4.-2008.-стр. 71-76.
2. Р. Н. Калинина, Модифицированные сорбенты для регенерационных систем водообеспечения и исследование их структуры [Текст]: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.26.02 / Р. Н. Калинина.// - М., 1998. - 22 с.: ил. Библиогр.:с. 21-22(17 назв.)
3. И. А. Валеев, Термохимическая переработка древесины методом быстрого пиролиза./ Грачев А.Н., Валеев И. А., Сафин Р.Г., Халитов Д. А. Николаев А.Н Петров В.И..// Деревообрабатывающая промышленность. Москва. -2009. - № 3. - С. 21-24.
4. Р. Р. Хасаншин, Предварительная термическая обработка древесного наполнителя в производстве ДПКМ / Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова // Вестник
Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2012. - № 7. - С. 62-63.
5. Р.Р. Хасаншин, Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Р.В. Данилова // Вестник Казанского государственного технологического университета. - 2012. - № 7. - С. 64-66.
6. Клёсов А. Древесно-полимерные композиты.-СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 736 с.
7. Э.В. Сахабиева, Эпоксидные связующие для слоистых электроизоляционных материалов / Э.В. Сахабиева // Вестник КГТУ. - 2012.- Т.15, №19.- С.74-75.
8. Композиционные материалы. Разрушение и усталость./Под ред. Л. Браутмана. -М.:Мир, 1978 483с.
9. Галяветдинов Н.Р., Усовершенствование технологии изготовления древесно-наполненых композиционных материалов на основе цементных вяжущих. Галяветдинов Н.Р., Лашков В.А., Николаев А.Н. Вестник Казанского технологического университета.
2011. № 20. С. 112-115.
10. Н.Р. Галяветдинов, Оценка влияния термической обработки древесного наполнителя на эксплуатационные свойства цементно-стружечной плиты./ Галяветдинов Н.Р., Валиев Ф.Г., Хасаншин Р.Р./ Вестник Казанского технологического университета.
2012. Т. 15. № 10. С. 85-87.
11. И. А. Валеев, Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды. /Валеев И.А./ Деревообрабатывающая промышленность. 2012. № 3. С. 41-46.
12. И.Н. Мусин, Влияние наполнителей и технологических добавок на реологические свойства древесно - полимерных композитов / И.З. Файзуллин,
И.В. Имамутдинов, В.Я. Хамидов, И.Н. Мусин, С.И. Вольфсон// Вестник Казанского технологического университета, 2013. Т.16 №10, с. 148-150.
13. И.Н. Мусин, Влияние размера частиц наполнителя на свойства древесно-полимерных композитов»/ И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, С.И. Вольфсон// Вестник Казанского технологического университета, - 2013. Т.16 №5, с. 106-109
14. Модифицированные древесно-полимерные композиты / Вольфсон С.И, Мусин И.Н., И.З. Файзуллин, Лыгина Т.З., Трофимова Ф.А.// Журнал «Пластические массы», г. Москва, 2014 г., № 1-2. с. 41-44.
15. И.Н. Мусин, Модификация древеснополимерных композитов на основе полиолефинов монтмориллонитом / И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, С.И. Вольфсон // Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ - 2012 - № 14, с. 135-138.
16. И.Н. Мусин, Влияние добавок на свойства древесно -полимерных композитов / И.Н. Мусин, И.З. Файзуллин, С.И. Вольфсон // Вестник Казанского технологического университета, - 2012, Т. 15 № 24, с. 97-99.
17. Е.С. Ильичева, Принципы оценки конкурентоспособности продукции / Е.С. Ильичева, А.А. Ярлыченко, Е.М. Готлиб // Вестник Казанского технологического университета, - 2012, № 5, с. 230-233.
18. Д.В. Тунцев, 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. -№ 21. - с. 258-260.
© И. А. Валеев, доц. каф. ТОМЛП КНИТУ, [email protected]; Р. А. Газизов, доц. каф. ТОМЛП КНИТУ, [email protected].
© I A. Valeev, Associate Professor of the Department of "Technology of light industry and fashion", KNRTU, [email protected]; R. A. Gazizov, Associate Professor of the Department of "Technology of light industry and fashion", KNRTU, [email protected].
