Совершенствование технологии и оборудования процесса термического разложения древесины в кипящем слое

Актуальность темы

Мировые запасы нефти и газа постоянно уменьшаются, вследствие чего переход к возобновляемым ресурсам является одной из наиболее актуальных проблем экономики и промышленности. Это обстоятельство заставляет исследователей искать более технологичные возобновляемые и дешевые источники сырья и энергии, одним из которых является биомасса древесины. Однако использование биомассы в качестве топлива и химического сырья в ряде случаев малоэффективно ввиду того, что она рассеяна по территории, имеет малую транспортную плотность и практически не приспособлена к существующей производственной инфраструктуре, ориентированной на потребление ископаемых ресурсов. Минимизировать негативное влияние данных факторов возможно с помощью предварительной децентрализованной переработки растительной биомассы в промежуточные продукты с более высокой плотностью, которые в дальнейшем могли бы перерабатываться на крупных промышленных центрах с получением традиционных продуктов нефтехимии. Термохимическая переработка является одним из неселективных методов переработки древесиной биомассы в твердые, жидкие и газообразные продукты, причем наибольший интерес при вовлечении растительного древесного сырья в существующую нефтехимическую инфраструктуру представляют жидкие продукты. Максимизировать выход жидких продуктов при термическом разложении древесины можно путем увеличения скорости нагрева и снижением продолжительности пребывания продуктов в зоне реакции, за счет уменьшения размера перерабатываемого сырья и скорости охлаждения парогазовой смеси. Высокая скорость нагрева в сочетании с низким временем пребывания продуктов достигается на практике в реакторах кипящего слоя. Причем от организации процесса конденсации парогазовой смеси, образовавшейся при термическом разложении древесины в кипящем слое, зависит как количественный, так и качественный состав I отбираемых продуктов, а значит и эффективность переработки. Поэтому исследование процессов, протекающих при термическом разложении древесины в кипящем слое и конденсации парогазовой смеси, и совершенствование технологических режимов является актуальным.

Работа выполнена при поддержке: гранта № 09−4-Н4.4−0133 по программе Старт.

Цель работы. Состоит в исследовании совокупности процессов, протекающих при термическом разложении древесины в кипящем слое и конденсации продуктов разложения.

В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ научных основ и технологий в области термохимической переработки древесины.

2. Разработать комплексную математическую модель, учитывающую процессы термического разложения древесины и конденсации жидких продуктов термического разложения.

3. Изготовить экспериментальный стенд для изучения процессов термического разложения древесины в кипящем слое и конденсации паров термического разложения.

4. Исследовать основные физико-химические свойства жидких продуктов термического разложения древесины.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель учитывающая: термическое разложение древесины в условиях кипящего слоя, вторичное разложение парогазовой смеси в газоходах и конденсацию паров.

2. В результате физического и математического моделирования определены профили температуры и концентрации продуктов термического разложения при быстром пиролизе в условиях кипящего слоя и конденсации парогазовой смеси в прямоточном потоке с распыленным хладагентом.

3. Проведено исследование состава и физико-химических свойств химический состав, коэффициент кинематической вязкости, давление паров, плотность, активность ионов водорода и др.) жидких продуктов термического разложения древесины, полученных в условиях кипящего слоя.

4. Наедены эмпирические выражения для определения коэффициента кинематической вязкости и давления паров пиролизной жидкости.

5. Разработана технология термической переработки древесины в кипящем слое, определены технологические параметры процесса.

Практическая ценность. Разработана и реализована методика расчета процесса термической переработки древесины в условиях кипящего слоя, позволяющая рассчитать основные режимы и геометрические характеристики оборудования. Определены режимные параметры процессов промышленного комплекса для термохимической переработки древесных отходов. Разработано аппаратурное оформление процесса конденсации продуктов разложения древесины, внедрение которого позволяет повысить эффективность работы установок пиролиза отходов деревообработки и низкокачественной древесины.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований применены в учебном процессе по курсу «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» и реализованы при создании методики расчёта и проектировании узлов в составе промышленного комплекса установки для термохимической переработки древесных отходов, внедренной на ГБУ РТ «Пригородное лесничество».

Автор защищает:

1. Математическую модель, учитывающую процессы термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и конденсации продуктов термического разложения древесины. I.

2. Результаты математического моделирования процессов термического разложения древесины и конденсации парообразных продуктов термического разложения древесины.

3. Результаты исследований состава и физико-химических свойств жидких продуктов быстрого пиролиза.

4. Технологическую схему узла конденсации в составе пилотной установки для термохимической переработки древесных отходов.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы», г. Казань 2008; Международной Научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», г. Вологда 2008, Международном симпозиуме «Энергоресурсоэфективность и энергосбережение», г. Казань 2009; Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г. Казань 2009; Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» — ММТТ-22 Псков 2009; IV Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире», г. Чита 2009; Международной научно-практической конференции «Биоэнергетика и биотехнологии — эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки», г. Москва 2011.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 17 печатных работ, из которых 5 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, и 1 патент РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

ВЫВОДЫ.

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования процессов термического разложения древесины и конденсации парогазовой смеси позволили определить потенциальные пути развития и интенсификации процесса. На их основе были осуществлены мероприятия, направленные на разработку и промышленную реализацию технологии термохимической переработки низкокачественной древесины. В ходе проектно-изыскательских работ была разработана и изготовлена опытно-промышленная установка для термохимической переработки низкокачественной древесины. Как показали производственные испытания, выход жидких продуктов пиролиза в пересчёте на сухую массу сырья составил 60−65%. В ходе производственных испытаний определены основные режимные параметры процесса и определены проблемные места. Проведённый технико-экономический анализ разработанного оборудования показал экономическую целесообразность его применения при переработке отходов лесопромышленного комплекса и низкокачественной древесины даже при небольших производительностях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенного аналитического обзора выполнен анализ существующих методов термохимической переработки древесины, рассмотрены основные технологические проблемы технологии быстрого пиролиза, проведен анализ аппаратурного оформления процессов газоочистки и конденсации продуктов быстрого пиролиза, а также рассмотрены возможности использования продуктов быстрого пиролиза. На основе проведённых аналитических исследований сформулированы цель и основные задачи настоящей научной работы.

На основании проведенного анализа процесса переработки древесины термическим методом в реакторе кипящего слоя и сформулированных допущений разработана математическая модель, включающая блоки термического разложения древесины в реакторе кипящего слоя и конденсации парогазовой смеси. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных и алгебраических уравнений, решение которых позволит провести теоретические исследования процесса термического разложения древесины и конденсации парогазовой смеси, образующейся при термическом разложении. С целью осуществления математического моделирования разработан алгоритм расчёта, на основе которого впоследствии создана моделирующая программа в среде МаШСАО.

С целью расчётно-экспериментального исследования процесса термического разложения древесины и проверки на адекватность разработанной математической модели выполнен, был разработан и изготовлен и испытан экспериментальный стенд, разработана методика проведения экспериментальных исследований.

В ходе исследовательской работы на представленном стенде были получены опытные образцы пиролизной жидкости, проведены исследования термического разложения древесины в кипящем слое, и исследования процесса конденсации паров в спутном распыленном потоке. Экспериментально был определен диапазон выхода жидких продуктов для различных пород древесины и бумаги при различных режимах переработки. С целью однозначного определения математической модели были проведены исследования необходимых физико-химических свойств пиролизной жидкости, полученной в результате термического разложения древесины на экспериментальном стенде. Был определен молекулярный и групповой состав жидких продуктов термического разложения, определена температурная зависимость коэффициента кинематической вязкости, зависимость давления смеси паров пиролизной жидкости, и ряд других физико-химических характеристик. На стадии исследования процесса термического разложения" древесины была произведена оценка распределения температуры по радиусу частицы, влияние плотности древесины, диаметра, частицы и температуры реактора на кинетику процесса, а также влияние температуры и длины реактора на выход продуктов. На стадии исследования процесса конденсации парогазовой смеси в спутном потоке распыленной жидкости были определены зависимости и характеристики гидравлического распыливания пиролизной жидкости, определено влияние режимных параметров (температура хладагента, содержание неконденсируемого газа) процесса конденсации на выход жидких продуктов термического разложения древесины и эффективность конденсации. Сопоставление расчетных значений с экспериментальными данными показало хорошее согласование расчетных данных реальным процессам. Максимальное расхождение составило не более 18%.

На основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований были осуществлены мероприятия, направленные на разработку и промышленную реализацию технологии термохимической переработки низкокачественной древесины. В ходе проектно-изыскательских работ была разработана и изготовлена опытно-промышленная установка для термохимической переработки низкокачественной древесины. Как показали производственные испытания, выход жидких продуктов пиролиза в пересчёте на сухую массу сырья составил 59%, а общая термическая эффективность ун — уносаг — газдр — древесинакр — критическаяу — угольи — парр ~ реакторс — сопло.