Пиролиз порубочных остатков в углевыжигательной печи

В настоящее время древесный уголь используется достаточно широко, в том числе не только в бытовых целях, но и в качестве биотоплива для производства энергии, в качестве восстановителя при производстве чугуна, при производстве кристаллического кремния и кремнистых сплавов. При этом теоретические основы процессов углежжения были заложены достаточно давно [1−3]. Также были разработаны различные конструкции углевыжигательных печей [4−11], обладающие своими преимуществами и недостатками. Однако до сих пор широкого распространения установки по производству угля в нашей стране не получили. Также важной проблемой лесозаготовительной отрасли является утилизация порубочных остатков. Использование для этих целей углевыжигательных печей позволяет не только утилизировать значительные количества остатков, но и производить товарный продукт — древесный уголь. Для этих целей могут использоваться специальные автономные углевыжигательные установки, которые используют в качестве топлива порубочные остатки, при этом сырьем для угля должна являться высококачественная древесина лиственных или хвойных пород. В связи с этим задачи по повышению эффективности углевыжигательных установок являются актуальными.

Наиболее продолжительной и энергозатратной стадией в процессе пиролиза является стадия сушки древесины, которую в связи с этим можно модернизировать. Для этого в рамках представленной работы было необходимо произвести расчет потерь через ограждающие конструкции, рассчитать эффективность процесса сушки в зависимости от качества сырья, подобрать датчики температуры и влажности, вентилятор и воздушный клапан.

В качестве объекта модернизации была использована конкретная углевыжигательная печь, которая представляет собой горизонтально расположенную цилиндрическую металлическую «бочку» на двух опорах, наружным диаметром 2,2 м и длиной 3 м, со встроенной в неё топочной камерой. Корпус печи, топка, дверь люка и короб изготовлены из конструкционной углеродистой стали Ст3 толщиной 3 мм. Снаружи печь обшита листовой сталью (жесть) толщиной 1 мм. Обечайки корпуса соединены между собой двусторонними сварными швами, поверх которых установлены усиливающие бандажи (обручи из прямоугольной трубы сечением 40×20×2мм), придающие дополнительную прочность и жесткость конструкции корпуса и позволяющие обезопасить от повреждений в случае непредвиденного возрастания давления внутри ёмкости. Торцевые стенки также усилены ребрами из прямоугольной трубы такого же сечения. Параметры и характеристики печи представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Параметры и характеристики печи.

В представленную установку в рамках модернизации планируется установить высокотемпературные датчики температуры (термометр сопротивления LTS производства KOBOLD [12]) и влажности (гигрометра серии HygroFlex [13]), вентилятор (радиальный вентилятор низкого давления ВР 85−77 [14]) и приточный воздушный клапан.

После выполнения монтажа вышеперечисленных датчиков и приборов установка будет выглядеть в соответствии с чертежом, представленным на рисунке 1, и работать согласно блок-схеме, представленной на рисунке 2.

В начале, производится загрузка сырья, закрытие пиролизной камеры и задвижек, растапливание топочной камеры. Далее включается вентилятор, температура в пиролизной камере, контролируемая с помощью термометра сопротивления, начинает увеличиваться до требуемой (t_суш) с учетом положительной уставки 10 ^оС, после чего открывается приточный клапан и температура в пиролизной камере понижается до отметки до требуемой (t_суш) с учетом отрицательной уставки 10 ^оС. После этого приточный клапан закрывается и температура в пиролизной камере снова начинает расти. Цикл повторяется до тех пор пока, влажность на установленном на выходной трубе гигрометре не достигнет требуемой отметки (W_треб). Затем происходит отключение вентилятора, отсоединение дымовой трубы от пиролизной камеры и закупорка технологических отверстий и приточного клапана, непосредственный пиролиз, прокалка и охлаждение угля.

Рисунок 1 — Чертеж углевыжигательной печи после модернизации Рисунок 2 — Схема работы углевыжигательной печи после модернизации Для определения потерь через ограждающие конструкции в процессе сушки был выполнен расчет в среде Microsoft Excel. Ниже представлен расчет для температуры сушки t₂=50?С.

1) Определяем наружную площадь печи, S, м2.

.

где l — длина печи, м; R — радиус печи, м;

м².

2) Находим коэффициент теплопередачи, k, Вт/(м²· K).

.

где d₁ — толщина внутренней стенки печи, сталь, мм; d₂ — толщина обшивка печи, мм; d₃ — толщина воздушной прослойки, мм; q_ст — теплопроводность стали, Вт/(м· K); q_в — теплопроводность стали, Вт/(м· K); б_н — теплоотдача к наружному воздуху, Вт/(м²· K); б_в — теплоотдача к внутренней стенке печи, Вт/(м²· K);

углевыжигательный печь порубочный топливо.

Вт/(м²· K).

3) Определяем теплопотери через ограждающие конструкции,, Вт.

.

где t₁ — температура окружающего воздуха, ?С; t₂ — температура процесса сушки, ?С;

Вт.

Результаты расчета для различных режимов сушки представлены в виде графика на рисунке 3.

Рисунок 3 — График потерь через ограждающие конструкции в процессе сушки Также для определения потребностей в топливе на процесс сушки был выполнен расчет в среде Microsoft Excel. Ниже представлен расчет для объема загрузки сушилки V = 0,5 м³ и влажности сырья W = 15%.

1) Определяем теплоемкость березы с учетом влажности, c_бw, кДж/(кг· ?С) где W — влажность исходного сырья, %; c_б — теплоемкость березы, кДж/(кг· ?С); c_в — теплоемкость воды, кДж/(кг· ?С);

2) Находим массу загруженного сырья, m_зс, кг где V — объем загрузки сушилки, м³; с_б — плотность сырья березы, кг/м³;

3) Находим теплоту нагрева древесины до температуры испарения, Q_н, кДж где t_зд — температура загруженной древесины, ?С;

кДж.

4) Определяем теплоту испарения влаги из древесины, Q_исп, кДж где L — теплота парообразования воды, кДж/кг;

• 5) Определяем суммарную теплоту на сушку с учетом КПД сушки, Q_суш, кДж
• 6) Находим потери теплоты теплопроводностью через наружную поверхность, J, кДж

кДж где T — продолжительность сушки, ч;

кДж.

7) Рассчитываем суммарные затраты теплоты на сушку с учетом КПД и потерь через ограждения конструкции, G, кДж.

кДж.

8) Находим затраты топлива на сушку, M, кг где Q_с — теплота сгорания топлива, кДж/кг;

кг.

Результаты расчета для различных объемов загрузки камеры и влажности исходного сырья представлены в виде трехмерного графика на рисунке 4.

Таким образом, в рамках работы представлен вариант модернизации углевыжигательной печи, который позволяет ускорить процесс сушки за счет его форсирования. Также получены зависимости, отражающие влияние температуры процесса сушки на тепловые потери печи и влияние объема загрузки и влажности исходного сырья на затраты топлива на весь процесс сушки. Полученные результаты могут быть использованы для повышения эффективности работы углевыжигательной печи после модернизации.

Рисунок 4 — Результаты расчета потребностей в топливе на процесс сушки в зависимости от влажности сырья и объема загрузки.

Библиографический список

• 1. Богданов, Е. С. Справочник по сушке древесины / Е. С. Богданов, В. А. Козлов, Н. Н. Пейч. — М.: Лесная промышленность, 1981. — 191с.
• 2. Козлов, В. Н. Технология пирогенетической переработки древесины / В. Н. Козлов, А. А. Нивицкий. — М.: Гослесбумиздат, 1954. — 128с.
• 3. Мухина Т. H. Пиролиз углеводородного сырья / Т. H. Мухина, Н. Л. Барабанов, С. Е. Бабаш. — М.: Химия, 1987. — 240 c.
• 4. Пиролиз ЭКО [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://pirolizeco.ru/kratkaya-istoriya-piroliza/, свободный.
• 5. Традиционные и современные технологии производства древесного угля — [Электронный ресурс] Режим доступа: http://pelleta.com.ua/tradicionnye-i-sovremennye-texnologii-proizvodstva-o2517.html, свободный.
• 6. Производство древесного угля, пиролиз древесины. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.fierydragon.ru/piroliz_drevesini.html, свободный.
• 7. Печи Кузнецова. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://stove.ru/index.php?lng=&rs=124, свободный.
• 8. Углевыжигательная печь УП"ЕВРО". [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://uglezhog.ru/products/2008;12−22−10−52−09/rus/, свободный.
• 9. Установка для углежжения с поворотными ретортами. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://blago-tt.ru/perspektivnye-razrabotki/ustanovka-dlya-uglezhzheniya-s-povorotnymi-retortami, свободный.
• 10. Углевыжигательные печи малого объема [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://лес-вологодчины.рф/uglevyzhigatelnye-pechi-malogo-obema, свободный.
• 11. Патент на изобретение 2 235 752 Российская Федерация, МПК51 C10B53/02 (2006/01) Печь углевыжигательная с регулятором теплового потока / Бакаев В. В., Рубцов Ю. В., Соловьев В. А., Гудим А. С.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т. — № 2 003 115 483/15; заявл. 23.05.2003; опубл. 10.09.2004.
• 12. КИПИНФО Каталог приборов [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://kipinfo.ru/pribori/4820/, свободный.
• 13. Промышленные высокотемпературные гигрометры серии HygroFlex. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.technoac.ru/product/ hygrometer/hygroflex, свободный.
• 14. Вентиляторы радиальные низкого давления ВР 85−77 исп.1 (ВР 80−75) [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.tayra.ru/production/5 916 037/ 5 919 824/5916064/5 916 038/, свободный