CC BY
26
УДК 66.092-977
А. А. Макаров, А. Н. Грачев, И. Г. Земсков УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
С СЕТЧАТЫМ РЕАКТОРОМ
Ключевые слова: Быстрый пиролиз, термическое разложение, сетчатый реактор.
В статье представлено описание установки для термического разложения материалов, а также материальный баланс процесса.
Keywords: Fastpyrolysis, thermochemical decomposition, wire-mesh reactor.
The article shows how to use thefacility for thermochemical decomposition of materialsand the balance of this process.
Согласно энергетической стратегии до 2030 года Россия не останется в стороне от развития возобновляемых источников энергии. Имеющийся в стране потенциал и научно-технические разработки в этой сфере, наряду с развитием международного сотрудничества, станут основой поэтапного увеличения вклада России в развитие рынкавозобновляе-мых источников энергии. Также, необходимо отметить, что в планы Правительства РФ входит создание условий для расширения производства электрической и тепловой энергии на основе возобновляемых источников энергии [1].
Низкокачественная древесина и отходы деревообработки являются одними из основных возобновляемых источников энергии для нашей страны. Ежегодное количество отходов только деревообрабатывающих предприятий России составляет более 70 млн. м3 [2].
Наиболее привлекательным решением для интеграции данного вида ресурсов в существующую структуру ТЭК является технология быстрого пиролиза, которая позволяет переработать низкокачественную древесину и отходы деревообработки в бионефть (до 70%), углистый остаток и газ. Бионефть может быть использована в качестве топлива и химического сырья во многих отраслях промышленности [3,4,5,6,7]. В данной технологии высокий выход жидких продуктов обеспечивается за счет скоростного нагрева сырья и снижения продолжительности пребывания продуктов термического разложения в зоне реакции. Данное обстоятельство приводит к минимизации вторичных реакций и, преимущественно, к термической деполимеризации высокомолекулярных соединений [8,9].
В промышленности, для обеспечения высокоинтенсивных режимов нагрева, в основном используют кондуктивный подвод тепла сырью от нагретых сред с более высокой теплоемкостью и снижают размер перерабатываемых частиц [10,11].
Для обеспечения высокоинтенсивных режимов нагрева и минимизации вторичных реакций прибегают к следующим основным методам при термическом разложении. Используют реакторы кипящего слоя, циркулирующего кипящего слоя, конусные, вакуумные, вихревые пиролизные реакторы, а так же различные виды абляционных реакторов [11,12].
Для экспериментального исследования процесса хорошо себя зарекомендовали реакторыс на-
греваемыми элементами в виде специальных проволок и сеток - сетчатые реакторы [13].
Для экспериментального исследования процесса термического разложения материалов был создан стенд на базе сетчатого реактора, схема которого представлены на рис. 1.
/_/_ \ лам \ \ \_
П Ш Е % В 12 11 Ю
Рис. 2 - Схема экспериментального стенда для исследования для исследования термического разложения материалов
Экспериментальный стенд для исследования термического разложения материалов включает в себя: реакционную камеру 5, систему нагрева образца, систему управления и регистрации данных, два конденсатора 11 и 12, газгольдер 2, баллон с инертным газом 1. Реакционная камера 5 теплоизолирована и снабжена нагревательным элементом, который подключён к терморегулятору 4 для обеспечения заданной температуры. Реакционная камера
5 содержит в нижней части патрубок для отвода парогазовой смеси, сообщающийся последовательно с конденсатором первой ступени 12, конденсатором второй ступени 11 и газгольдером 2.
В верхней части реакционной камеры 5 расположен патрубок для подвода инертного газа, который сообщается трубопроводом через ротаметр
6 и понижающий редуктор с баллоном 1.
Герметизация реакционной камеры 5 осуществляется крышкой (рис. 2, 3), которая включает в себя два электрода, между которыми располагается нагревательный элемент, выполненной в виде металлической сетки из жаропрочной стали с размером ячеек 0,16х0,16 мм.
Нагрев сетки осуществляется за счёт подачи на электроды напряжения через трансформатор 7. Сила тока регулируется в зависимости от необходимой скорости нагрева и температуры нагревательного элемента, и варьируется от 60 до 250 А.
Рис. 2 - Общий вид Рис. 3 - Общий вид ре-крышки реакционной акционной камеры камеры
Зависимость скорости нагрева и конечной температуры термического разложения от силы тока имеет линейную характеристику и представлена на рис. 4.
Рис. 4 - Зависимость скорости нагрева и конечной температуры термического разложения от силы тока
Конденсаторы 11 и 12 состоят из двух последовательно соединённых теплообменников типа «труба в трубе» со сборниками конденсата.
Конденсаторы последовательно соединены трубным пространством с реакционной камерой 5. Охлаждающая рубашка конденсатора первой ступени 12 соединена с циркуляционной линией термостата 16, температура которой фиксируется в диапазоне от 20 до 150°С. Охлаждающая рубашка конденсатора второй ступени 11 соединена с линией циркуляции воды, температурой 20°С. Сборники конденсата представляют собой герметичную съёмную ёмкость цилиндрической формы, снабжённую радиальным патрубком отвода газов. Последний сборник конденсата соединён гибким трубопроводом с газгольдером 2. Газгольдер 2 представляет собой герметичную камеру без дна, закреплённую внутри жёсткой оболочки. Внутреннее пространство камеры сообщается патрубком через запорно-регулирующую арматуру с патрубком отвода газов конденсатора и штуцером для отбора проб. Также внутреннее пространство камеры снабжено патрубком вакуумирования, который соединён с вакуумным насосом 3. В рабочем состоянии оболочка за-
полняется водой выше уровня дна камеры для обеспечения гидрозатвора. Благодаря созданию разряжения с помощью вакуумного насоса 3 достигается изменение уровня жидкости внутри камеры. Причём, уровень воды во внутренней камере выше, чем во внешней оболочке. Таким образом, в ходе эксперимента, за счёт втягивания образовавшегося пиро-лизного газа происходит изменение уровня жидкости в камере. Причём объём выделившегося пиро-лизного газа соответствует объёму вытесненной воды, которая, по окончании эксперимента, переливается в ёмкость 17 и взвешивается на весах 13.
Система управления и регистрации данных позволяет управлять температурой процесса и осуществлять фиксацию мгновенных значений температуры нагревающего элемента и температурных полей. Система управления и регистрации данных включает в себя: аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)8, компьютер 9 со специальным программным обеспечением, термоэлектрические преобразователи типа хромель-алюмель, ТРМ 4. Фиксация экспериментальных данных осуществляется в дискретном режиме с помощью АЦП 8, который работает под управлением программного обеспечения компьютера 9. Дальнейшая обработка сохранённых экспериментальных данных позволяет сделать вывод об изменении режимных параметров процесса во времени. Фиксация температуры осуществляется термопарами, подключёнными к аналоговому входу АЦП 8.
Экспериментальные исследования процесса термического разложения осуществляются следующим образом: Предварительно подготовленные модельные образцы располагаются на сетчатом нагревательном элементе и герметизируются крышкой в камере пиролиза 5. Далее, осуществляется прогрев реакционной камеры 5 с помощью нагревателя до достижения заданной температуры. После прогрева и герметизации реакционной камеры осуществляется её продувка инертным газом из баллона 1 с заданным расходом. Эксперимент начинается после включения трансформатора 7, при этом осуществляется резкий подъём температуры на сетчатом нагревательном элементе. Температурная кривая и кривая мгновенной скорости нагрева сетчатого нагревательного элемента при силе тока 250А представлена на рис 5. Как видно из представленных зависимостей, в первые 10 с эксперимента наблюдается линейный подъем температуры до 550 0С с последующей стабилизацией. Полученные продукты термического разложения: пиролизная жидкость, уголь и газ подвергаются дальнейшему анализу и взвешиванию для определения параметров и материального баланса процесса.
Эксперимент заканчивается после стабилизации температуры нагревательного элемента и прекращении выделения парогазовой смеси.
Необходимо добавить, что разработаный экспериментальный стенд позволяет обеспечить двух стадийную конденсацию продуктов термического разложения. На рис. 6 представлен материальный баланс в виде зависимостей выходов продуктов термического разложения древесины березы при
средней скорости нагрева 30 0С/с от температуры хладагента конденсатора первой ступени. Как видно из представленных зависимостей, с повышением температуры хладагента конденсатора первой ступени с 50 до 150 0Свыход с нее конденсата снижается с 30 до 3%, а количество конденсата на второй ступени увеличивается с 7 до 36% соответственно.
Т, с
Рис. 5 - Температурная кривая и кривая мгновенной скорости нагрева сетчатого нагревательного элемента при силе тока 250А
Следует отметить, что до 40 % от общей массы сырья представляет собой величина невязки, которая, по-видимому, связана с тем, что одна часть парогазовой смеси конденсируется в самом реакторе не успевая достигнуть конденсатора, а другая уходит вместе с неконденсируемыми газами в газгольдер. В ректоре мгновенно конденсируютсяи не доходят до конденсатора смолы, температура насыщения которых выше 200 0С. В газгольдер пролетает жидкость в виде смоляного тумана, для улавливания которой требуется усовершенствование системы конденсации.
Т 1-ой ступени конденсации,°С
Рис. 6 - Материальный баланс при термическом разложении в зависимости от температуры конденсации
Таким образом разработанная экспериментальная установка позволяет обеспечить исследование процесса быстрого пиролиза при скоростях нагрева до 30 0С/с.
Литература
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года,утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. №1715-р.
2. Термохимическая переработка лигноцеллюлозного сырья в биотопливо и химические продук-ты.Международный Форум по возобновляемой энергетике - reenfor-2013, 22 -23 октября 2013 года, С. 134-137,Грачев А.Н., Забелкин С.А., Макаров А.А.
3. Применение процесса быстрого абляционного пиролиза древесных отходов для выработки жидкого биотоплива. Грачев А.Н., Макаров А.А., Семенов Ю.П., Николаев
A.Н., Кашапов Н.Ф.Вестник Московского государственного университета леса "Лесной Вестник" 2009 №3 (66), 208с., С.88-91 4. Энергетическое использование пиро-лизной жидкости. Забелкин С.А., Грачёв А.Н., Башкиров
B.Н., Мулламухаметов Ф.И. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2010. № 10. С. 369-374.
5. К вопросу применения жидких продуктов пиролиза древесины для получения компонента вяжущего для дорожного строительства. Файзрахманова Г.М., Забелкин
C.А., Грачев А.Н., Башкиров В.Н. Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. № 2-3 (7-3). С. 174-176.
6. Использование древесной пиролизной жидкости для получения компонента вяжущего для дорожного строительства. Файзрахманова Г.М., Забелкин С.А., Грачев
A.Н., Башкиров В.Н., Макаров А.А. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2013. Т. 16. № 8. С. 312-314.
7. К вопросу использования жидких продуктов пиролиза древесины в качестве связующего для брикетирования. Гильфанов М.Ф., Забелкин С.А., Грачев А.Н., Башкиров
B.Н. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2013. Т. 16. № 21.
C. 106-108.
8. Экспериментальные исследования скорости убыли массы древесины в процессе быстрого абляционного пиролиза, Лесной журнал. Архангельск. - 2009. № 4, - С. 116-123. Грачев А.Н., Хисматов Р.Г., Сафин Р.Г., Макаров А.А.
9. Результаты математического моделирования термического разложения древесины в абляционном режиме. Грачев А.Н., Макаров А.А., Сафин Р.Г. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2011. № 14. С. 90-93.
10. К вопросу расчета реактора термического разложения органических материалов в режиме механической абляции. Макаров А.А., Грачев А.Н. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2013. Т. 16. № 20. С. 243-244.
11. Исследование технологических параметров торрефи-кации древесины в горизонтальном шнековом реакторе в интенсивных режимах. Макаров А.А., Грачев А.Н., Забелкин С.А., Пушкин С.А. // Вестник Казан. технол. унта. 2013. Т. 16. № 13. С. 177-179.
12. Термическое разложение древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза. Макаров А.А. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Казан. нац. исслед. технол. ун-т. Казань, 2011
13. Fast pyrolysis in a novel wire-mesh reactor: Design and initial resultsOriginal Research Article Chemical Engineering Journal, Volume 191, 15 May 2012, Pages 45-58, Elly Hoekstra, Wim P.M. van Swaaij, Sascha R.A. Kersten, Kees J.A. Hogendoorn
© А. А. Макаров - канд. техн. наук, доц., докторант каф. химической технологии древесины КНИТУ, smakarov86@gmail.com А. Н. Грачев - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, nergolesprom@gmail.com; И. Г. Земсков - асп. той же кафедры.
© А. А. Makarov - Ph.D., Associate Professor, Department of "Chemical Technology of wood", KNRTU, smakarov86@gmail.com; A. N. Grachev - Ph.D., Professor, Department of "Chemical Technology of wood", KNRTU, nergolesprom@gmail.com; 1 G. Zemskov - the postgraduate student, Department of "Chemical Technology of Wood", KNRTU.
