CC BY
22
УДК 662.63 : 662.712
А. Р. Садртдинов, Л. М. Исмагилова, Х. Г. Мусин
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ НА ВЫХОД ПРОДУКТА ПОСЛЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ
Ключевые слова: древесные отходы, высокотемпературная обработка, углеродный остаток, генераторный газ, синтез-газ
Проведены исследования по высокотемпературной обработке древесного сырья при варьировании фракционного состава и породы древесины с целью определения количественного показателя выхода обработанного материала - углеродного остатка.
Keywords: wood waste, high temperature processing, carbon residue, producer gas, synthesis gas.
Carried out researches at the high temperature processing of wood raw material by varying the fractional composition and breeds of wood in order to determine the quantitative indicator the output of the treated material - carbon residue.
Введение
В виду сокращения запасов ископаемого органического сырья в последние годы во всем мире уделяется особое внимание вопросам химической, термохимической и биотехнологической переработки древесного сырья, так как в отличие от ископаемых источников запасы древесины возобновляются. Также весомым достоинством древесины как топлива является низкое содержание серы и отсутствие других компонентов в ее составе, способные образовывать вредные вещества при ее переработке [1].
На предприятиях лесопромышленного комплекса при переработке древесины образуется более 40 млн. м3 древесных отходов, из которых используется от 10 до 40%, в основном в качестве топлива для получения теплоты или пара для технологических нужд [2, 3].
Перспективным и наиболее эффективным является переработка древесных отходов в генераторный газ, который может быть использован при выработке тепловой и электрической энергии или в химической промышленности при синтезе таких продуктов как диметиловый эфир, метанол, синтетический бензин и т.д. [4] Однако в химической промышленности используется синтез-газ, отличающийся от генераторного своим составом, в который входят только монооксид углерода и водорода в определенном соотношении [5, 6].
Некоторые методы переработки, позволяют получить генераторные газы по своему составу близкие к синтез-газу, отличающиеся только наличием примесей и количеством водорода. Наиболее чистым и близким по составу к синтез-газу является генераторный газ, получаемый паровой конверсией каменного или древесного угля [7].
Целью настоящей работы является предварительная обработка древесины и превращение ее в наиболее приближенный к углю продукт, который в дальнейшем, путем газификации можно переработать в пригодный для химической промышленности синтез-газ.
Материалы и методы исследования
В качестве материала для исследования, было выбрано древесное сырье различного фракционного состава в виде стружек, дробленки и щепы из древесины наиболее распространенных в России пород: березы, сосны и липы. Перед проведением экспериментов навески образцов подвергались предварительной подготовке - сушились при температуре 110 °С, выдерживались в эксикаторе и взвешивались.
Высокотемпературная обработка навесок образцов древесного сырья проводилась с использованием реактора с неподвижным слоем, выполненного из жаропрочной стали, схема которой изображена на рис. 1. Нагрев реактора осуществлялся от внешнего источника тепла -высокотемпературной электронагревательной
ленты 1.
Рис. 1 - Схема реактора для высокотемпературной обработки древесного сырья
Продолжительность эксперимента составляла около 4^5 часов, с учетом процесса высокотемпературной обработки образцов и последующего охлаждения реактора до температуры окружающей среды. Образцы подвергались обработке при температуре в интервале от 200 до 450°С, в зависимости от требований эксперимента, которая
контролировалась термопарами Ть Т2 и Т3. Во время работы давление в системе поддерживалось на 0,05 МПа выше атмосферного. Условия эксперимента для каждой группы исследуемого сырья были одинаковы и проходили при одних и тех же температурных режимах и продолжительности процесса. Образующийся при обработке газ удалялся через патрубок 2 и подвергался анализу для определения его компонентного состава. Выход твердого остатка (древесного угля) определялся путем взвешивания и выражался в процентах от массы сырья.
Результаты и обсуждение
Эксперименты проводились с целью выявления основных закономерностей выхода углеродного остатка (обработанного сырья) при высокотемпературной обработке от размеров частиц и породы древесины. Зависимость выхода углеродного остатка от размера древесных частиц представлена на рис. 2.
17 -1-1-1-1-1—
250 300 350 400 450
Температура процесса. °С
Рис. 2 - Сравнение выхода углеродного остатка при высокотемпературной обработке древесного сырья разного фракционного состава
На данной графической зависимости видно, что с ростом температуры во всех случаях выход углеродного остатка уменьшается и наибольшее убывание наблюдается при температурах обработки от 350°С и более. Влияние размеров частиц на выход углеродного остатка также важен и как можно видеть при равных условиях эксперимента выход углеродного остатка из крупно-фракционного сырья (щепы) намного больше, чем у мелкофракционного (опилок), но при этом качественно, подвергнутые обработке опилки более близки к составу угля, чем щепа. Данный факт весьма важен и требует более тщательного анализа.
На рис. 3 показана зависимость выхода углеродного остатка при высокотемпературной обработке древесного сырья различных пород при одинаковом фракционном составе. Было выявлено, что как и в случае с фракционным составом (рис. 2) в интервале температур 250^350°С интенсивность обработки весьма высокая и не зависит от породы сырья, т.е. выход углеродного остатка резко падает, но начиная с 350°С падение выхода замедляется. В результате при температурах 250^450°С выход углеродного остатка после обработки древесины
липы составил 33^60 %, сосны - 30^77 %, березы -28^73 %. Как видно, выход углеродного остатка из всех рассмотренных пород древесного сырья почти одинаков, что свидетельствует о незначительном влиянии породы древесины на процесс обработки.
Рис. 3 - Сравнение выхода углеродного остатка при высокотемпературной обработке различных пород древесного сырья
Заключение
Проанализировав ранние результаты и полученные экспериментальные данные сделан вывод, что для получения наиболее приближенного к составу угля продукта, необходимо использовать в качестве сырья древесные отходы из сосны с размерами частиц, близких к щепе (20^60 мм).
Представленные результаты получены в рамках реализации гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых на тему МК-3434.2015.8 «Разработка теоретических основ, технологии и оборудования комплексной термохимической переработки древесных отходов и растительной биомассы в сырье для химического синтеза и компоненты моторных топлив» (договор № 14.256.15.3434-МК от 16.02.2015 г.).
Литература
1. Тунцев, Д.В. Разработка комплексной технологии термохимической переработки древесных отходов / Д.В. Тунцев, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2014. - №4. - С. 50-55.
2. 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. - 172 с.
3. Сафин, Р.Г. Современные строительные композиционные материалы на основе древесных отходов / Р.Г. Сафин, В.В. Степанов, Э.Р. Хайруллина, А.А. Гайнуллина, Т.О. Степанова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т.17. - №20. -С. 39-41.
4. 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.
5. Сафин, Р.Г. Исследование процесса получения синтез-газа и его конверсия в диметиловый эфир / Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, Л.М. Исмагилова // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т.2. - № 3-2 (8-2). - С. 173-176.
6. Садртдинов, А.Р. Исследование получения синтез-газа для каталитического синтеза метанола из отходов растительного происхождения / А.Р. Садртдинов, Т.Х.
Галеев // IV международная научная экологическая конференция «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного
производства». Краснодар, 2015. - С. 248-249.
7. Хузеев, М.В. Паровая конверсия древесного угля / М.В. Хузеев, З.Г. Саттарова, В.И. Петров // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. -Т.17. - №1. - С. 94-96.
© А. Р. Садртдинов - к.т.н., доцент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, dog_home@list.ru; Л. М. Исмагилова - аспирант кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, lilya_777_09@mail.ru; Х. Г. Мусин -д.с-х.н., профессор кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, Первый заместитель министра лесного хозяйства Республики Татарстан, Haris.Musin@tatar.ru.
© A. R. Sadrtdinov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, dog_home@list.ru; L. M. Ismagilova - postgraduate student, Department of wood Processing of materials KNRTU, lilya_777_09@mail.ru; H. G. Musin - doctor of agricultural sciences, professor of processing of wood materials KNRTU, First Deputy Minister of Forestry of Republic of Tatarstan, Haris.Musin@tatar.ru.
