Разработка технологии газификации жидкого продукта контактного пиролиза древесины Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 684.4.05

Д. В. Тунцев, Р. Г. Сафин, А. М. Касимов,

Р. Г. Хисматов, И. С. Романчева, А. С. Савельев

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГАЗИФИКАЦИИ ЖИДКОГО ПРОДУКТА

КОНТАКТНОГО ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ

Ключевые слова: отходы деревообработки, контактный пиролиз, газификация пиролизной жидкости, горючий газ.

Представлено описание лабораторного стенда и проведены экспериментальные исследования процесса газификации жидкого продукта контактного пиролиза древесины, разработанной на кафедре «Переработка древесных материалов» КНИТУ.

Keywords: wood waste, contactpyrolysis, gasification of pyrolysis liquid, combustible gas.

The presents a description of the laboratory bench and experimental studies of the process of gasification of the liquid product of the contact pyrolysis of wood, developed on chair «Processing of wood materials» of KNRTU is given.

Полное использование отходов древесного сырья от лесозаготовок, лесопиления и деревообработки является одной из наиболее серьезных и пока не решенных проблем лесного комплекса [1]. Одним из перспективных направлений многотоннажной утилизации древесных отходов является производство на их основе облагороженного жидкого топлива термохимическими методами [2]. Возрастающий интерес к этой области термохимической переработки обусловлен тем, что растительная биомасса является возобновляемым источником, а в регионах с большими запасами такого сырья, особенно в отдаленных районах, использование «жидкой древесины» вместо нефтяного топлива является экономически целесообразным уже и в настоящее время [3].

Из термохимических способов наиболее эффективным методом переработки древесных отходов в жидкие, твердые и газообразные продукты следует отметить быстрый контактный пиролиз.

Жидкие продукты контактного пиролиза древесины, как топливо имеют следующие недостатки: (высокая коксуемость, кислотность, многогранный нестабильный состав, высокое содержание кислорода (30 - 45%)) [4].

Одним из приоритетных направлений переработки пиролизной жидкости, с целью получения электрической энергии, является газификация с получением высококалорийного генераторного газа [5].

При газификации жидких продуктов контактного пиролиза древесины в генераторный газ, возможно, использовать те же окислители, что и при газификации твердого топлива и конверсии углеводородных газов. Это - паровоздушная смесь (или смесь водяного пара с воздухом обогащённым кислородом), парокислородная смесь и водяной пар. Выбор для газификации пиротоплива того или иного окислителя определяется не только самим процессом производства, но и характером, и назначением целевого продукта.

По сравнению с газификации твердых топ-лив получения генераторного газа из жидкого топлива имеет следующие основные преимущества [7]: 1. Эффективность работы установок при газификации жидких топлив выше, чем при газификации твердых топлив.

2. При работе в установках газификации жидкого топлива, количество обслуживающего персонала сокращается до минимума, так как процесс газификации жидких топлив может быть полностью автоматизирован.

3. В работе на жидком сырье съем генераторного газа с 1м3 реакционного пространства значительно выше, чем при работе на твердом топливе.

4. При термической переработке жидких топлив в генераторный газ из схемы процесса устраняются такие сложные и громоздкие узлы топливо - подготовки, топливоподачи и золоудаления.

5. Для газификации жидких топлив применяются малогабаритные установки, в котором, на единицу производимого горючего газа требуется меньше капиталовложений, чем установка по газификации твердых топлив [8].

Перечисленные преимущества делают данный способ производства генераторного газа весьма перспективным. Тем не менее, способ получения генераторного газа методом газификации пиротоп-лива на данный момент мало изучен.

Для проведения экспериментальных исследований процесса газификации жидких продуктов контактного пиролиза древесных отходов был разработан экспериментальный стенд, который представлен на рис.1 [9].

Экспериментальный стенд для исследования процессов газификации жидких продуктов быстрого контактного пиролиза древесины (рис.1.), который состоит из газогенератора 1, форсунки 2, бака 3, термопар 4, нагревателей 5, блока ТРМ 6, кислородного баллона 7, редуктора 8, запорного клапана 9, манометра 10, ротаметра 11, расходомера 12, насоса 13, теплообменника 14, факела 15, скруббера 16, рукавный фильтр 17.

Экспериментальная установка работает следующим образом: пиротопливо из расходного резервуара 3, где температура доводится до 70 0С, что необходимо для его тонкого распыления в форсунке печи через расходомер 13, с помощью насоса 12 подается в форсунку печи 2. Туда же подается кислород из баллона 7. Печь для газификации жидкого топлива представляет собой печь, футерованная изнутри огнеупорным кирпичом. Нагревание печи

осуществляется с помощью нагревателей 5 регулируемого с блока 6.

Рис. 1 - Схема экспериментального стенда для исследования процессов газификации жидких продуктов быстрого контактного пиролиза древесины: 1 - печь для газификации пиролизной жидкости, 2 - форсунка, 3 - приемный резервуар, 4 - термопары, 5 - нагреватели, 6 - блок для регулирования нагревания печки, 7 - кислородный баллон, 8 - редуктор, 9 - запорный клапан, 10 -манометр, 11 - ротаметр, 12 - расходомер, 13 -насос, 14 - теплообменник, 15 - факел, 16 -скруббер, 17 - рукавный фильтр

В печь установлены четыре термопары 4 для измерения температуры генераторного газа в разных областях. Физическое тепло газа, выходящего из печи, используется для нагревания воды в теплообменнике 14 для выработки водяного пара, используемого для подогрева пиролизной жидкости. Далее газ охлаждается в полом скруббере 16. В процессе газификации, получаемая сажа, отделяется из газа и уводится с водой из скруббера. Оставшаяся часть сажи удаляется в рукавном фильтре 17. После очистки генераторный газ направляется на газоанализатор.

В ходе проведенных экспериментальных исследований была получена зависимость теплоты сгорания генераторного газа от объемного количества обогащения пиротоплива кислородом, представленная на рис. 2.

18 1

17,5 -

17 -

в 16,5 -

Я

я & ~ 16 - "V

- и 1^15,5 -

я н о ¡1 15 "

1а 14,5 <

Н 14 -

2

2

15

25

35

45

Обогащение кислородом (%)

Рис. 2 - Зависимость теплоты сгорания генераторного газа от объемного количества обогащения кислородом

Зависимость показывает, что при обогащении пиротоплива кислородом в объеме 35% наблюдается максимальная теплота сгорания генераторно-

го газа. Дальнейшее увеличение обогащения пиро-топлива кислородом приводит к снижению теплоты сгорания генераторного газа.

Также в процессе исследования было определено зависимость состава генераторного газа от количества подаваемого окислителя (рис. 3.).

Из зависимости (рис. 3.) видно, что при обогащении пиротоплива кислородом в объеме 35% наблюдается максимальный выход горючих компонентов СО и Н2, при этом, другие компоненты генераторного газа СО2 и СН4 остаются неизменными.

С? 60 50

м

(Я

40 30 20 10 0

о и

о =

А

о

н «

А =

и

в

«

н и о

и

СО

лГ - -*

СО2

11_

—■—Ш— —1

СН4

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Обогащение килородом (%) при Т = 12000С

Рис. 3 - Зависимость генераторного газа от количества подаваемого окислителя

В результате экспериментального исследования были получены зависимость (рис. 4.), в которой следует что при увеличении давления в камере количество СО и Н2 незначительно снижается, а количество СН4 и СО2 повышается, в соответствии с принципом Ле-Шателье [10].

60

ч? 50

О4

* 40 30 20 10 0

ев -

О -

о

X а

о н я

а

^

1«

СО2

СН4

1,5

—I—

2,5

Давление (атм) при Т = 1200 С

Рис. 4 - Зависимость состава генераторного газа от давления в камере газификации

Выводы

С целью экспериментального исследования процессов газификации жидких продуктов быстрого контактного пиролиза древесины была разработана экспериментальная установка, методика проведения исследований и анализ полученных результатов исследований.

Из приведенных результатов, полученных в экспериментальном исследовании можно утверждать, что при кислородной газификации пиротоп-лива для получения высококалорийного генератор-

2

5

ного газа, необходимо содержание окислителя в объеме 35%.

Исследования показали, что характеристики получаемого генераторного газа достаточны для выработки электрической энергии в электрогенераторе на базе двигателя внутреннего сгорания.

Литература

1. Сафин Р.Г. Разработка технологии переработки высоковлажных древесных отходов в высокооктановые компоненты моторного топлива [Текст] / Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Садртдинов, Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. -2013. - Т. 16. - № 7. - С. 250 - 254.

2. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов дерево-переработки, содержащие токсичные вещества [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 4. - С. 79 - 84.

3. Просвирников, Д.Б. Особенности переработки древесных материалов методом паровзрывного автогидролиза и технологические пути использования получаемого лигноцеллюлозного продукта [Текст] / Д.Б. Просвирников, Р.А. Салдаев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - № 14. - С. 8 - 13.

4. Зиатдинова, Д.Ф. Извлечение примесей из древесно -волокнистой массы, полученной при обработке лигно-целлюлозного материала высокотемпературным паро-взрывным автогидролизом [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Б. Просвирников, // Вестник Казанского

технологического университета. - 2011. - № 12. - С. 70 -248.

5. Садртдинов, А.Р. Получение древесного угля и жидких продуктов [Текст] / А.Р. Садртдинов, И.И Хуснуллин, З.Г. Сатарова // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - № 1. - С. 4 - 6.

6. Тунцев, Д.В. Схема промышленной установки для переработки отходов лесного комплекса [Текст] / Д.В. Тунцев, Р.Г. А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - № 3 - 2 (8 - 2). - С. 445-448. 7. Тунцев, Д.В. Биопластики на основе лигнина [Текст] / Д.В. Тунцев, Р.Г. И.Н. Ковернинский, Ф.М. Филиппова, Р.Г. Хисматов, М.Р. Хайруллина, И.Ф. Гараева // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - № 15. - С. 192 - 194.

8. Тунцев, Д.В. Схема контактного пиролиза отходов лесозаготовки [Текст] / Д.В. Тунцев, Р.А. Халитов, М.К. Герасимов, А.М. Касимов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. -2014. - № 2 - 3 (7 - 3). - С. 146 - 149.

9. Грачев, А.Н. Исследование физико - химических свойств жидкого пиротоплива из отходов древесины и оценка возможности его энергетического использования [Текст] / А.Н. Грачев, Р.А. Халитов, Ю.П. Семёнов, Е.Ю. Разумов, Д.В. Тунцев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2009. - № 4. - С. 24 - 26.

10. Тунцев, Д.В. Совершенствование технологии и оборудования процесса термического разложения в кипящем слое [Текст]: дис. ...тех. наук / Д.В. Тунцев; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. - Казань. - 2011. - С. 189.

© Д. В. Тунцев - к.т.н. доцент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, tuncev_d@mail.ru; Р. Г. Сафин - д.т.н. профессор, зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; А. М. Касимов - аспирант кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, kasim.91@inbox.ru; Р. Г. Хисматов - к.т.н. доцент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, xp8519@gmail. com; И. С. Романчева - студент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, romancheva.irina@ inbox.ru; А. С. Савельев - студент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, sowells@ mail.ru;

© D. V. Tuntsev - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNITU, tuncev_d@mail.ru; R. G. Safin - doctor of engineering, professor of processing of wood materials KNITU, safin@kstu.ru; А. M. Kasimov - graduate student of processing of wood materials KNITU, kasim.91@inbox.ru; R. G. Hismatov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNITU, xp8519@gmail. com; 1 S. Romancheva - student of the chair processing of wood materials KNITU, romancheva.irina@ inbox.ru; А. S. Sowells - student of the chair processing of wood materials KNITU, sowells@ mail.ru;