CC BY
43
УДК 69-977
З. Г. Саттарова, Л. Р. Смирнова, М. Н. Суходова, А. М. Смирнов
УТИЛИЗАЦИЯ МЕЛКОФРАКЦИОННЫХ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ ПУТЕМ ПРЯМОТОЧНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ
Ключевые слова: утилизация, газификация, древесное топливо, брикетирование.
В настоящей статье рассматривается способ утилизации мелкофракционных древесных отходов методом брикетирования и их дальнейшей газификации с целью получения тепловой энергии.
Keywords: recycling, gasification, wood fuel, briquetting.
The present article deals with the method of disposal offine wood waste method further briquetting and gasification for the purpose of obtaining thermal energy.
Введение
После переработки древесины практически половина ее объема уходит в отходы. При заготовке древесины образуется много мелкофракционных отходов в виде стружек, опилок и щепы. Одним из способов утилизации данных древесных отходов является их газификация с получением тепловой энергии. Отходы деревопереработки неудобны для транспортировки и хранения и являются малоэффективными для использования в качестве топлива без соответствующей предварительной подготовки, из-за высокого уровня влажности. Поэтому самым эффективным способом подготовки их к утилизации является брикетирование [1]. Брикетирование древесных отходов происходит с помощью пресса при высокой температуре под большим давлением, и способствует увеличению теплотворной способности древесных отходов (табл. 1). Древесные брикеты обладают низкой влажностью и не требуют предварительной сушки, могут сразу загружаться в специальную камеру газогенератора для газификации. Поэтому производство древесных брикетов является эффективным методом и способствует утилизации древесных отходов, позволяя получить дешевую тепловую энергию [4,5].
Таблица 1 - Сравнительные характеристики видов топлива
Рис. 1 - Схема установки процесса прямоточной
для исследования газификации с использованием древесных брикетов
Вид топлива Теплота
сгорания мДж/кг
Каменный уголь 15 - 25
Двигательное топливо 42,5
Щепа древесная 10
Древесные брикеты 17,5
Природный газ 35 - 38
Экспериментальная часть
В результате выполнения настоящих исследований была разработана экспериментальная установка для физического моделирования процесса газификации (рис.1) [6].
В качестве перерабатываемого материала использовались древесные брикеты с начальной температурой 25°С.
Экспериментальное исследование
проводилось следующим образом. Работа начиналась с прогрева камеры газификации до 200250 °С. Древесные брикеты загружались в данную камеру, где начинается их прогрев. После прогрева брикетов происходит их газификация. При газификации можно выделить зоны сушки, пиролиза, горения, а также восстановления. Термопары фиксируют изменения температуры в процессе всего эксперимента. Компрессор 7 оснащен датчиками, которые контролируют расход подаваемого воздуха. Расходомером 34 измеряется объем образующегося генераторного газа. Установка также оснащена пробоотборником, с помощью которого происходит отбор генераторного газа для дальнейшего определения его химического состава. Определение текущего содержания в газе оксида углерода, водорода, метана, воды и двуокиси углерода нужно для оценки качества генераторного газа и оптимизации параметров процесса газификации. Далее генераторный газ подвергается дожиганию в камере 14. Вместе с генераторным газом в камеру смешения поступает окислитель (воздух) через воздуходувку 17. С помощью вентиля 16 по ротаметру 15 регулируется расход
подаваемого воздуха. Данная газовоздушная смесь поджигается электрическим запальником 36. Термопарой 38 определяется температура сгорания газа в камере дожигания, расход отходящих топочных газов - расходомером 19 и давление -манометром 37. С целью контроля процесса сгорания генераторного газа, коэффициента избытка воздуха, определения объемной доли углекислого газа, токсичных веществ и окиси углерода в продуктах сгорания в процессе эксперимента производиться отбор проб генераторного газа для газоанализатора 22. Затем генераторный газ охлаждается в теплообменнике 20, его теплотворная способность рассчитывается по методике, описанной в [6]. Генераторный газ охлаждается до температуры 250-300°С, и подается в абсорбер 26, где происходит нейтрализация токсичных веществ. Расход абсорбента контролируется расходомером 27 и регулируется вентилем 28 в зависимости от количества генераторного газа. С помощью термопары 44 измеряется температура генераторного газа в абсорбере. На выходе из абсорбера содержание токсичных веществ контролирует газоанализатор 22. Объем газа определяется счетчиком 23 [3].
Интенсивность процесса газификации является основным параметром, от которого зависит состав и теплотворная способность генераторного газа (рис. 3). При увеличении расхода окислителя увеличивается образование горючих компонентов СО и Н2, и при этом уменьшается количество не восстановившегося СО2. В результате теплотворная способность генераторного газа повышается. Повышение температуры в зоне горения и восстановления способствует разложению образовавшихся смол и улучшению качества генераторного газа [6].
+ ■
3
2 /
\ 1
Результаты и их обсуждение
Были проведены экспериментальные исследования по определению убыли массы, изменения температуры слоя, продолжительности процесса и содержания в угольном остатке летучих.
В ходе эксперимента были получены данные, на основании которых, были выявлены оптимальные режимы процесса прямоточной газификации, что позволяет спроектировать газогенератор с высокой энергетической эффективностью.
В ходе проведенных исследований было выявлено, что рациональная высота зоны восстановления составляет 125-135 мм (рис. 2). При высоте большей 135 мм, качество генераторного газа ухудшается, так как уменьшается количество СО. Это связано с тем, что температура в конце зоны восстановления падает, и начинается обратный процесс образования СО2 из СО.
4
—:-
2 /■■ .... ---
_________*
L40 Hi
Рис. 2 - Зависимость состава генераторного газа от высоты зоны восстановления: 1 - СО2; 2 - Н2; 3 - СН4; 4 - СО
Рис. 3 - Зависимость состава генераторного газа от расхода окислителя в зоне горения газификатора: 1 - CH4; 2 - СО2; 3 - СО; 4 - H2
Заключение
Газификация древесных брикетов позволяет получить дешевую тепловую энергию и утилизировать мелкофракционные древесные отходы, которые загрязняют окружающую среду.
Исследования показали, что основными параметрами эффективной работы газогенераторной установки являются высота зоны восстановления и расход окислителя в зоне горения, которые оказывают значительное влияние на качество генераторного газа.
Литература
1. Тимербаев, Н.Ф. Технологии газификации древесины: перспективы и инновации / Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Садртдинов, И.Н. Ковернинский, Л.Р. Смирнова, Т.Х. Галеев, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - № 15. - С. 221-226.
2. Тунцев Д.В. Схема промышленной установки для переработки отходов лесного комплекса / 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.
3. 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.
4. Тимербаев, Н.Ф. Техника и технологии термической переработки отходов деревообрабатывающей промышленности (монография) / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова. - М-во образ. и науки РФ, Казан. гос. технол. Ун-т. - Казань: КГТУ, 2010.- 172с.
5. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов деревопереработки, содержащих токсичные вещества / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова, // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. -№4. - С.79-84.
6. Тимербаев Н.Ф. Комплексная энерготехнологическая переработка древесных отходов с применением прямоточной газификации (монография) / Н.Ф. Тимербаев; М-ов образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. - Казань: КНИТУ, 2011. С.122-125.
7. Исмагилова Л.М. Переработка древесных отходов в синтез-газ / Материалы третьей Региональной научно-технической конференции «Интеллектуальный потенциал 21 века: Ступени познания», г. Казань - 2012. - С.47-50.
8. Тимербаев Н.Ф. Исследование химических процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов / Вестник Казанского технологического университета - 2012. - № 11. - С.76-79.
9. Сафин Р.Г. Переработка отходов лесопромышленного комплекса в древесный уголь / Сафин Р.Г., Саттарова З.Г., Сафина А.В., Исхаков Т.Д., Хабибуллина А.Р. // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т.18. - № 4. -С. 151-154.
10. 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.
11. Сафин Р.Г. Энергонезависимая установка непрерывной переработки древесных отходов / Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, И.И. Хуснуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. -Т.16. - №14. - С. 181-182.
© З. Г. Саттарова - доцент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Л. Р. Смирнова -магистр той же кафедры, [email protected]; М. Н. Суходова - студент той же кафедры [email protected]; А. М. Смирнов - магистр той же кафедры [email protected].
© Z. G. Sattarova - candidate of technical sciences, associate professor of the same chair, [email protected]; L. R. Smirnova -undergraduate student of the same chair, [email protected]; M. N. Sukhodova - student of the same chair, [email protected]; A. M. Smirnov - undergraduate student of the same chair, [email protected].
