CC BY
34
УДК 662.76
A. Р. Садртдинов, А. Н. Николаев, А. С. Торопов,
B. А. Салдаев
ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ НА ПРОЦЕСС ГАЗИФИКАЦИИ И КАЧЕСТВО СИНТЕЗ ГАЗА
Ключевые слова: газификация, древесные отходы, синтез газ, тепловая обработка.
Исследовано влияние предварительной тепловой обработки древесных отходов перед процессом газификации на качество получаемого синтез газа, который возможно использовать в качестве сырья для выработки различных товарных продуктов
Keywords: gasification, wood waste, synthesis gas, heat treatment.
The effect of wood waste heat pre-treatment before gasification process on quality of the synthesis gas, which may be used as raw materials for synthesizing various commercial products, is investigated
Экологические и социальные проблемы, энергетическая безопасность и цены на ископаемое топливо ведут к увеличению научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по возобновляемой биоэнергии. Особенно это касается технологии газификации биомассы, которая активно развивается и за последнее десятилетие стала основой для производства синтез газа (сырого газа), который может использоваться непосредственно или в качестве стартового сырья в промышленности для синтеза различных веществ [1, 4, 5].
В развитии темы совершенствования процесса газификации были проведены исследования по изучению влияния предварительной тепловой обработки исходного сырья (древесных отходов) на качество вырабатываемого синтез газа. Целью исследования являлось показать, что в процессе тепловой обработки отходы меняют свои свойства приобретая более однородный вид и улучшая свои теп-лофизические свойства [3].
Тепловая обработка древесных отходов проводилась в интервале температур нагрева 180 -230 °С при атмосферном давлении в отсутствие кислорода, так, чтобы вода и легколетучие компоненты были удалены из древесных отходов.
Исследования по определению кинетики процесса тепловой обработки древесных отходов были проведены на термогравиметрическом анализаторе. Также были определены эмиссия, загрязненность и шлаковыделение при газификации обработанных отходов. Теплотворные свойства получаемого синтез газа из обработанных древесных отходов проводились в специализированной камере сгорания.
Для проведения комплексного исследования по предварительной тепловой обработки древесных отходов и определения качества вырабатываемого синтез газа был разработан экспериментальный стенд схема которого представлена на рис. 1.
Основным узлом стенда является цилиндрический реактор для тепловой обработки древесных отходов, имеющий высоту 500 мм и 100 мм в диаметре, в который при каждом эксперименте помещалось 300 грамм исследуемого материала. Для предотвращения сгорания материала в реакторе в него подавался инертный газ - аргон. Нагрев реактора и подогрев аргона осуществлялся посредством
электронагревательной ленты, мощностью 4 кВт. Температура в реакторе контролировалась в трех точках термопарами. Пробы образующихся газов отбирались на выходе из реактора.
Рис. 1 - Схема экспериментального стенда
В исследовании использовались наиболее часто встречаемые древесные отходы, а именно ветви (сучья и т.п.) и древесная щепа, которые были проанализированы как во влажном виде так и после тепловой обработки в течении 30 минут при температурах 180 °С и 230 °С соответственно [2].
На рис. 2 представлены результаты исследования по определению изменения элементарного состава древесных отходов после тепловой обработки. Проводился сравнительный анализ изменения соотношений углерода (С), водорода (Н) и кислорода (О) в каждом обрабатываемом материале с каменным углем, как эталоном. Все данные приведены в мольных процентах и рассчитаны на сухую и беззольную часть. Поскольку углерод в древесине это один из основных и значительных по массе элементов было предложено представить результаты в виде отношений Н/С и О/С, что также позволило построить координатную сетку.
У сырых материалов отношение О/С колеблется в интервале 0,65 - 0,70, а после тепловой обработки при 180°С - приблизительно 0,5 и в ин-
тервале 0,3 - 0,4 при температуре обработки 230°С Из полученных результатов видно уменьшение значений приведенных соотношений, это объяснятся большей интенсивностью удаления воды и легколетучих веществ с ростом температуры тепловой обработки, что в свою очередь приводит к увеличению относительного содержания углерода в обрабатываемом материале. По характеру данных процесс тепловой обработки схож с процессом пиролиза, но протекает при относительно низких температурах и преследует цель оптимально подготовить древесные отходы к дальнейшей газификации и получения синтез газа требуемого качества.
О/С
0,75
0,45
0,3
Ис со ходное стояние
Др евесная ш епа 180 °С Ветт и и т.п.
230 °С
Кам • енный уг эль
Н/С
0,6
0,75
0,9
1,05
1,2
1,35
1,5
1,65
Рис. 2 - Сравнительный анализ изменения углерода, водорода и кислорода в обрабатываемых материалах
В итоге снижение содержания кислорода, определяет более низкую степень окисления и приводит к увеличению величины нагрева. При этом значения отношений Н/С и О/С стремятся к значениям каменного угля, что дает сделать предположение о схожести свойств обработанных материалов и угля при газификации. Обобщенные данные также подтверждают, что с возрастанием температуры обработки помимо удаления летучих происходит относительное обугливания материала. Кинетика процесса удаления летучих и обугливания при тепловой обработке определялась путем термогравиметрического анализа.
Известно, что при газификации углей состав получаемого синтез-газа наиболее чист и лучшего качества [5]. С учетом полученных данных наилучшим вариантом для газификации являются древесные отходы обработанные при 230 °С
Также были проведены уточняющие эксперименты по влиянию летучих в обработанных древесных отходах на состав получаемого синтез газа. Результаты процесса газификации обработанных отходов представлен на рис. 3.
5 -4,5 -
К
Э 3,5 -
^ 2,5 -
2 -1,5 -
\ Н2
•
\ СО
СО 2
/ ■
• 1
СН4
32.7
32.4
32.1
31.8
31.5 £
О
31.2 ¡^
30.9 30,6
30.3 30
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Содержание летучих, %
Рис. 3 - Изменение компонентного состава синтез газа при газификации обработанных отходов
Полученные зависимости подтверждают правомерность данных представленных на рис. 2.
На данный момент планируются исследования по использованию вырабатываемого синтез газа в качестве топливного газа для газовых турбин и двигателей при производстве тепла и электроэнергии.
Литература
1. Тимербаев, Н.Ф. Совершенствование процесса газификации древесных отходов с целью получения моторного топлива / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хиса-меева, Д.А. Ахметова, А.Г. Мухаметзянова // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. -№19. - С. 211-213.
2. Сафин, Р.Г. Энергонезависимая установка непрерывной переработки древесных отходов / Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, И.И. Хуснуллин, // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №14. - С. 181182.
3. Сафин, Р.Г. Газификация влажных отходов Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Хисамеева, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. -2012. - №17. - С. 195-199.
4. Сафин, Р.Г. Разработка технологии получения моторного топлива из отходов деревообработки / Р. Г. Сафин, Н.Ф.Тимербаев, З.Г.Саттарова, Т.Х. Галеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. -№11. - С. 205-207.
5. Тимербаев, Н.Ф. Разработка технологии получения метанола из древесных отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Т.Х. Галеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №3. - С. 168-170.
6
33
0,6
0,15
0
© А. Р. Садртдинов - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, dog_home@mail.ru; А. Н. Николаев - д-р техн. наук. проф. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, nikolaev_an@kstu.ru; А. С. Торопов - д-р техн. наук. проф. каф. деревообрабатывающих производств Поволжского госуд. технол. ун-та; В. А. Салдаев - асп. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, c-vova@mail.ru.
