CC BY
38
УДК 674.8
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
Н.Ф. Тимербаев1, Д.В. Тунцев2, М.Р. Хайруллина2, С.В. Китаев2
казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
cpekgeu@gmail.com
2Казанский национальный исследовательский технологический университет, г.
Казань, Россия
tuncev_d@mail.ru, khayrullina_mila@mail.ru, kitaev-sv@gmt-gazprom.ru
Резюме: Дано описание технологии и оборудования для электроэнергетического использования отходов лесоперерабатывающих и деревоперерабатывающих предприятий.
Ключевые слова: отходы лесозаготовки, переработка, пиролизная жидкость, газификация древесного пиротоплива, генераторный газ.
TECHNOLOGIES AND EQUIPMENT FOR THE PRODUCTION OF ELECTRICITY FROM WOOD WASTE
N.F. Timerbaev1, D.V. Tuntsev2, M.R. Khairullina2, S.V. Kitaev2
1Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia cpekgeu@gmail.com 2Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia tuncev d@mail.ru, khayrullina mila@mail.ru, kitaev-sv@gmt-gazprom.ru
Abstract: The description of the technology and equipment to produce electricity from waste wood processing enterprises.
Keywords: waste wood complex, recycling, liquid pyrolysis, gasification wood biofuel, producer gas.
Введение
Российская Федерация - государство с большим запасом лесных ресурсов. Леса России занимают около 70% территории ее суши и являются важным стабилизирующим
природным комплексом страны. Российская Федерация является лидером по площади лесов - 809090 тыс. га, или 20,1% общей площади лесов мира [1].
Лесные ресурсы РФ представлены тремя видами основных лесообразующих пород: хвойные (сосна, кедр, ель, пихта, лиственница) - 68,2%; мягколиственные (береза, осина, липа, тополь, ива, ольха) - 19,6%; твердолиственные (береза каменная, дуб, бук, ясень, клен, вяз и другие ильмовые, граб, акация белая, саксаул) - 2,4% [2].
Доля продукции лесопромышленного комплекса (ЛПК) в валовом национальном продукте Российской Федерации не превышает 5% [3]. Одной из первостепенных задач экономического развития лесного сектора России является повышение эффективности и конкурентоспособности деревоперерабатывающих предприятий на основе применения инновационных технологий, а также разработкой и внедрение эффективных методов утилизации отходов лесопиления, деревообработки и химической переработки, которые в настоящее время в основном перерабатываются не эффективным методом сжигания в энергетических целях [1].
Проблема использования отходов лесозаготовок может считаться решенной при условии получения из них полезных продуктов переработки, необходимых для народного хозяйства [4].
Перспективными и более эффективными считаются процессы термохимической конверсии древесных отходов в жидкие и газообразные продукты, необходимые для химических и других отраслей промышленности [5].
На рис. 1 показана принципиальная схема установки электроэнергетического использования древесных отходов. Данная энергетическая установка непрерывного действия устанавливается непосредственно на лесоперерабатывающих и деревоперерабатывающих предприятиях [6]. Внедрение промышленной установки по переработке отходов лесного комплекса в производственный цикл позволяет решить следующие задачи:
• утилизировать древесные отходы в зонах производства и улучшить экологическую обстановку [7];
• получить дополнительные энергетические ресурсы на основе возобновляемого сырья [8].
Принцип работы установки заключается в следующем: древесные отходы I, прошедшие соответствующую подготовку (очищенные от посторонних предметов, измельченные), загружают в сушильный бункер 1, в котором осуществляют конвективную сушку сырья разбавленным топочным газом при температуре 160-200°С до влажности сырья 10%, затем с помощью дозатора 2 и шнекового питателя 3 подают в реактор пиролиза барабанного типа 4, где ведут термическое разложение древесины при температуре 450-520°С и давлении 500 - 1000 Па с образованием парогазовой смеси и угля.
Уголь собирают в приемнике 5, затем его направляют в топку 6. Полученные топочные газы используют для нагревания реактора пиролиза 4 и газификатора 18. После этого их смешивают с воздухом до температуры 160-200°С при помощи вентилятора 7, пропускают через сушильный бункер 1 и, обеспечив сушку сырья, выбрасывают в атмосферу через дымовую трубу 23. Парогазовую смесь II направляют в конденсатор, состоящий из распылительной колонны 8 и насадочной колонны 9. После конденсации охлажденной пиролизной жидкостью, подаваемой насосом 11, при температуре 30-40°С, отделяют жидкий продукт IV, который собирают в приемной ванне 10, а затем подают в резервуар 12 для дальнейшего использования. Несконденсированный пиролизный газ направляют на очистку в рукавных фильтрах 21. Жидкий продукт из резервуара 12 через фильтры 13, при помощи насоса 24 нагнетают в форсунку газификатора 16. Жидкий продукт пиролиза газифицируют при температуре 1000-1200°С, и давлении 100 - 300 кПа в присутствии кислорода в количестве 25-40 мас.% [9, 10]. Для осуществления процесса
газификации подают кислород в газификатор 18 из баллонов 14. Количество кислорода подаваемого на процесс газификации, дозируют автоматическими регуляторами соотношения 15, 17. Полученный генераторный газ V, имеющий температуру 1000-1200°С, направляют в теплообменник 19 для охлаждения. Нагретую в теплообменнике 19 воду используют для предварительного нагрева пиролизной жидкости в резервуаре 12 до температуры 60-70°С. Последующее охлаждение генераторного газа осуществляют в полом скруббере 20. Очистку генераторного газа ведут в рукавных фильтрах 21. После очистки генераторный газ и несконденсированный пиролизный газ подают в генератор электрической энергии 22.
Рис. 1. Принципиальная схема установки электроэнергетического использования древесных
отходов:
1 - сушильный бункер; 2 - дозатор; 3 - шнековый питатель; 4 - реактор пиролиза; 5 - приемник; 6 - топка; 7 -вентилятор; 8 - распылительная колонна; 9 - насадочная колонна; 10 - приемная ванна; 11 - насос; 12 - резервуар; 13 - фильтр; 14 - кислородный баллон; 15,17 -регуляторы соотношения; 16 - форсунка; 18 - газификатор; 19 - теплообменник; 20 - скруббер; 21 -рукавные фильтры; 22 - генератор электрической энергии; 23 - дымовая труба
В табл. 1 приведены основные технические характеристики установки термической переработки отходов лесного комплекса.
Таблица 1
Технические характеристики установки двухэтапной термической переработки _отходов лесного комплекса_
№ Наименование характеристики Значение Ед. измерения
1 Производительность установки кг/час (кг/год)
* по исходному сырью 200 кг/час
* по бионефти 130 кг/час
по электрической энергии 100 кВт час
2 Продолжительность работы установки 24 ч/сутки
3 Сырьё - древесная щепа размером, не более 10 мм
4 Исходная абсолютная влажность сырья, не более 60 %
5 Потребляемая электрическая мощность 10 кВт
6 Напряжение 380 В
7 Максимальная температура в камере пиролиза 580 0С
8 Максимальная температура газификатора 1200 0С
Выводы
Установка термической переработки отходов лесного комплекса позволяет создать более эффективный способ переработки отходов лесного комплекса для выработки электрической энергии при использовании жидких и газообразных продуктов термического разложения, на реализацию которого затрачивается лишь 15% от количества получаемой электрической энергии, и дает возможность 85% энергии использовать для нужд народного хозяйства [6].
Таким образом, функционирование промышленной установки по двухэтапной термической переработке отходов лесного комплекса в часы работы предприятия позволяет снизить потребность в энергии от внешнего поставщика и сократить суточные колебания нагрузки в системе передачи электроэнергии потребителям. При этом снижается необходимость в разработке и строительстве специальных заводов для утилизации отходов лесного хозяйства.
Литература
1. Тунцев Д.В., Сафин Р.Г., Касимов А.М., Хайруллина Э.К., Мусин Х.Г., Савельев А.С. Промышленная установка двухэтапной термической переработки отходов лесного комплекса // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18, № 15. С. 132-134.
2. Доклад о состоянии и использовании лесов Российской Федерации за 2015 г. // Министерство природных ресурсов и экологии России. URL: http://www.mnr.gov.ru.
3. Зайцева Х.И., Зиновьева И.С. Роль и значение лесного комплекса в экономике РФ // VI Международная студенческая электронная научная конференция "Студенческий научный форум 2014". URL: https://www.scienceforum.ru/2014/407/306.
4. Садртдинов А.Р., Исмагилова Л.М. Разработка опытно-промышленного образца установки по утилизации древесных отходов с получением диметилового эфира // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т.18, № 9. С.94-100.
5. Садртдинов А.Р., Хуснуллин И.И., Саттарова З.Г. Получение древесного угля и жидких продуктов пиролиза // Деревообрабатывающая промышленность. 2012. № 1. С. 004-006
6. Касимов А.М., Тунцев Д.В., Хисматов Р.Г., Хайруллина Э.К., Романчева И.С., Савельев А.С. Промышленная установка для электроэнергетического использования отходов лесозаготовок // Вестник Югорского государственного университета. 2015. № S2(37). С. 102-104.
7. Сафин Р.Г. Пирогенетическая переработка древесных материалов // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, №9. С. 88-92.
8. Chiaramonti D., Oasmaa A., Solantausta Y. Power generation using fast pyrolysis liquids from biomass // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2007. Vol. 11. Is. 6. P. 1056-1086.
9. Sadrtdinov A.R., Sattarova Z.G., Prosvirnikov D.B., Tuntsev D.V. Modeling of thermal treatment of wood waste in the gasifiers // Proceedings of 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, MEACS 2015. 2015. P. 7414914.
10. Ефимов Н.Н., Федорова Н.В., Миргородский А.И., Коломийцева А.М. Газификация органических топлив и биомасс // Успехи современного естествознания. 2007. №1. С. 15-21.
Авторы публикации
Тимербаев Наиль Фарилович - д-р. техн. наук, профессор кафедры «Инженерная экология и рациональное природопользование» (ИЭР) Казанского государственного энергетического университета (ROy^E-mail: cpekgeu@gmail.com
Тунцев Денис Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Переработка древесных материалов» (ПДМ) Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ).
Хайруллина Милауша Рашатовна - аспирант кафедры «Переработка древесных материалов» (ПДМ) Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ).
Китаев Сергей Васильевич - аспирант кафедры «Переработка древесных материалов» (ПДМ) Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ).
Reference
1. Tuntsev D.V., Safin R.G., Kasimov A.M., Khairullina E.K., Musin Kh.G., Savelyev A.S. Industrial plant two-stage thermal processing of waste of forest complex // Bulletin of Kazan Technological University. 2015. Vol. 18. № 15. Pp. 132-134.
2. A report on the status and use of forests of the Russian Federation for 2015 // Ministry of Natural Resources and Environment of the Russian Federation. URL: http://www.mnr.gov.ru.
3. Zaitsev Kh.I., Zinoviev I.S. The role and importance of forest complex in the Russian economy // The VI International student electronic scientific conference "Student science forum 2014". URL: https://www. scienceforum.ru/2014/407/306.
4. Sadrtdinov A.R., Esmagilova L.M. Development of experimental-industrial model plant for disposal of wood waste to produce dimethyl ether // Bulletin of Kazan Technological University. 2015. Vol. 18. № 9. pp. 94-100.
5. Sadrtdinov A.R., Khusnullin I.I., Sattarova Z.G. The charcoal and liquid products of pyrolysis obtaining // Woodworking industry. 2012. № 1. С. 004-006.
6. Kasimov A.M., Tuntsev D.V., Khismatov R.G., Khairullina E.K., Romancheva I.S., Saveliev A.S. The industrial unit for the electricity use of logging wastes // Bulletin of Yugra State University. 2015. № S2(37). S. 102-104.
7. Safin R.G. Pyrogenetic processing of wood materials // Bulletin of Kazan Technological University. 2014. Т. 17. № 9. С. 88-92.
8. Chiaramonti D., Oasmaa A., Solantausta Y. Power generation using fast pyrolysis liquids from biomass // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2007. Vol. 11. Is. 6. P. 1056-1086.
9. Sadrtdinov A.R., Sattarova Z.G., Prosvirnikov D.B., Tuntsev D.V. Modeling of thermal treatment of wood waste in the gasifiers // Proceedings of 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, MEACS 2015. 2015. pp. 741-914.
10. Efimov N.N., Fedorova N.V., Mirgorodsky A.I., Kolomijtseva A.M. The gasification of the organic fuels and bioweights // Advances in current natural sciences. 2007. No. 1. S. 15-21.
Authors of the publication
Timerbaev N.F. - doct. sci. (techn.), professor at the Department of Engineering ecology and rational nature management, Kazan state power engineering university. .E-mail: cpekgeu@gmail.com
Tuntsev D.V. - cand. sci. (techn.), associate professor at the Department of Wood processing, Kazan National Research Technological University.
Khayrullina M.R. - PhD student at the Department of Wood processing, Kazan National Research Technological University.
Kitaev S.V. - PhD student at the Department of Wood processing, Kazan National Research Technological University.
Поступила в редакцию 01 февраля 2016 г.
