автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Переработка древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование

На правах рукописи

005008651

г

Забелкин Сергей Андреевич

ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОЕ ТОПЛИВО И ЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработкн 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 ЯНВ 2012

Казань-2011

005008651

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Банкиров Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доценгг - Грачёв Андрей Николаевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Канарский Альберт Владимирович Казанский национальный технологический университет, профессор кафедры пищевой биотехнологии

- доктор химических наук, профессор Грунин Юрий Борисович Марийский государственный технический университет, г. Йошкар-Ола, заведующий кафедрой физики

Ведущая организация - ООО «Кировский БиоХимЗавод», г. Киров

Защита диссертации состоится «17» февраля 2012 года в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при ФГБОУ ВПО «КНИТУ» по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан «23» декабря 2011 г.

Учёный секрерать Байгильдеева Е.И.

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из актуальных проблем лесного комплекса является использование низкокачественной древесины и древесных отходов, образующихся при лесозаготовке, лесопереработке и деревообработке. В частности, перед предприятиями деревообрабатывающей промышленности уже сейчас весьма остро стоит проблема утилизации отходов деревообработки, доля которых доходит до 60% от объёмов готовой продукции. В то же время древесная биомасса является перспективным возобновляемым источником энергии. По прогнозам Европейского совета по возобновляемой энергетике (EREC) к 2040 г. за счёт возобновляемых источников энергии будет покрываться почти половина мирового потребления первичной энергии, причём 25% будет составлять доля энергии биомассы. Однако древесина также имеет ряд существенных недостатков при энергетическом использовании. Нестабильность топливных свойств и гранулометрического состава, гигроскопичность, низкая энергетическая плотность приводят к снижению эффективности энергетического использования древесных отходов. Одним из путей снижения влияния данных недостатков является использование термохимических методов переработки древесины. Среди этих методов наиболее эффективным является процесс быстрого пиролиза, который позволяет перерабатывать древесную биомассу с высоким выходом жидких продуктов (пиролизной жидкости). Жидкие продукты имеют ряд преимуществ по сравнению с твёрдой биомассой, которые особенно проявляются при их транспортировке, хранении и использовании. Однако для промышленной реализации технологии получения и энергетического использования жидких продуктов пиролиза необходимо проведение более глубоких научных исследований. В связи с этим комплексное исследование совокупности процессов переработки древесины термохимическими методами в жидкое топливо и его энергетического использования на существующем топливном оборудовании является актуальной задачей как в научном, так и в практическом плане.

Степень проработанности проблемы. Вопросам энергетического использования древесины посвящены работы Архангельского В.Д., Веретенника Д.Г., Койкова П.М., Головкова С.И., Гутермана М.Н., Загорье А.М., Заха Р.Ю.Г., Зыкова Ф.И., Качелкина Л.И.,, Коперина И.Ф., Коротаева Э.И., Клименко М.И., Левина А.Б., Мардера М.В., Морозова Б.Ф., Найдёнова В.И, Пижурина П.А., Павлосюка В.А., Померанцева В.В., Рушнова Н.П., Семёнова Ю.П., Шереметьева B.C. и др.

Значительный вклад в изучение процессов сжигания пиролизной жидкости внесли такие учёные, как Э.В. Бриджуотер, Ю. Солантауста, А. Оасмаа, С. Черник, Д. Майер, К. Ди Блази, С. Гросс, Д.К. Джэй, К. Сипиля, А. Шихадэ, Д. Чарамонти, К. Бертоли, Р.Г. Эндрюс, Р. Стрензиок, Б.М. Вагенаар, С.Р. Шадикс и др.

Однако комплексные исследования переработки древесины в жидкое топливо и его энергетического использования практически не проводились, а проведённые исследования не позволяют оценить эффективность совокупности данных процессов, что подтверждает актуальность работы.

Цель работы состоит в исследовании совокупности процессов переработки древесины в жидкое топливо термохимическим методом и последующего энергетического использования полученного топлива методом сжигания с применением существующего оборудования. В связи с этим в представленной работе были поставлены следующие задачи:

> Определить характер влияния свойств древесины и режимных параметров процесса термохимической переработки на топливные свойства пиролизной жидкости;

> Идентифицировать физико-химическую картину совокупности процессов термического разложения древесины и сжигания пиролизной жидкости;

> Разработать математическую модель, совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования;

> Разработать алгоритм расчёта совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования;

> Разработать экспериментальный стенд и провести исследования характера влияния факторов на выход жидких продуктов при термическом разложении древесины;

> Разработать экспериментальный стенд и провести исследования процесса энергетического использования пиролизной жидкости методом сжигания;

> Разработать опытно-промышленную установку энергетического использования пиролизной жидкости.

Научная новизна

В ходе проделанной работы были:

> Разработана математическая модель совокупности процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования, учитывающая породу древесины, размер частицы, скорость нагрева, многокомпонентный состав пиролизной жидкости, а также зависимость свойств пиролизной жидкости от породы древесины, влажности и режимных параметров процесса;

> Определён характер влияния температуры процесса, скорости нагрева, размера частиц, породы и влажности древесины на эффективность совокупности процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования;

> Установлен механизм и получены кинетические константы скорости химической реакции термического разложения пиролизной жидкости (фактор частоты 2,33-103 с'1, энергия активации 3,966 МДж/кг);

> В ходе математического моделирования определено целесообразное значение давления первичного воздуха при распыливании пиролизной жидкости, которое составило 120 кПа;

> В ходе экспериментальных работ определён диапазон температур предварительного подогрева пиролизной жидкости (60-80°С), при котором осуществляется наиболее эффективное и стабильное горение.

Практическая ценность.

Результаты моделирования совокупности процессов термической переработки древесины и энергетического использования пиролизной жидкости позволяют получить данные о влиянии свойств древесины на процесс и выход продуктов термического разложения древесины, о температурном поле в камере сгорания и о продолжительности выгорания капли пиролизной жидкости в зависимости от режимных параметров. Определён характер зависимости топливных свойств пиролизной жидкости от режимных параметров процесса термического разложения и свойств древесины. Разработаны экспериментальные установки, позволяющие определять влияние свойств древесины и режимных параметров на совокупность процессов термического разложения древесины и энергетического использования пиролизной жидкости. Были определены оптимальные значения температуры предварительного подогрева и давления распыливания пиролизной жидкости при сжигании. Разработан и защищен патентом способ получения пиролизной жидкости из древесных отходов. Разработана и изготовлена опытно-промышленная установка энергетического использования пиролизной жидкости.

Реализация работы.

Результаты проведённых в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, разработке конструкторской документации и создании опытно-промышленной установки энергетического использования пиролизной жидкости. По результатам исследования разработана схема производственного комплекса по переработке древесины методом термического разложения. Разработана и внедрена в производство в Матюшинском производственном участке №2 ГБУ РТ «Пригородное лесничество» опытно-промышленная установка для термохимической переработки низкокачественной древесины.

Автор защищает:

> Математическую модель совокупности процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её сжигания в распылённом факеле;

> Зависимость топливных свойств пиролизной жидкости от режимных параметров процесса термического разложения и свойств древесины;

> Конструкции экспериментальных установок для исследования процесса термического разложения древесины, а также процесса сжигания пиролизной жидкости;

> Результаты математического моделирования и проведённых исследований на экспериментальных установках;

> Схему опытно-промышленной установки энергетического использования пиролизной жидкости.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Основные результаты, выносимые на защиту, относятся к п. 2 паспорта специальности 05.21.05 и п. 19 паспорта специальности 05.21.03.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: VI Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире», г. Чита, 2009; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», г. Вологда, 2008; Мевдународ-ной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения», г.Казань, 2009; Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-22, Псков, 2009; Международной научно-практической конференции «Биоэнергетика и биотехнологии - эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки», г. Москва, 2009; XI Международной конференции молодых учёных «Пищевые технологии и биотехнологии», г. Казань, 2010; Международном научно-практическом семинаре «Экологически устойчивое развитие. Рациональное использование природных ресурсов», г. Тула, 2010; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодёжи «Актуальные проблемы органической химии», г. Казань, 2010; Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в промышленности, науке и образовании», г. Оренбург, 2010; Молодёжном инновационном центре «МИЦ-Саров 2010».

Личное участпе автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в пос лшовке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены экспериментальные установки для исследования процессов термического разложения древесины, а также энергетического использования пиролизной жидкости, проведены экспериментальные исследования по получению пиролизной жидкости из различных видов сырья и её сжиганию, разработана и реализована опытно-промышленная установка энергетического использования пиролизной жидкости. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.

Публикации

По результатам выполненных исследований автором опубликовано 25 пет чатных работ, из которых 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, 1 патент РФ на изобретение и 1 положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение.

Объём и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 183 страницах машинописного текста и включает в себя 65 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 125 источников.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан анализ современного состояния основных технологий энергетического использования древесной биомассы и продуктов её переработки. Приведена классификация лесосечных отходов и отходов деревообрабатывающих предприятий как одного из видов биомассы. В результате анализа сделан вывод о необходимости поиска путей энергетического использования дре-

весных отходов, однако для этого необходимо минимизировать недостатки исходной биомассы. Проведён анализ существующих технологий термической переработки древесины. Рассмотрен и проанализирован мировой опыт энергетического использования пиролизной жидкости. Проведённый анализ подтверждает вывод об актуальности и быстром развитии технологий энергетического использования биомассы и продуктов её переработки. Однако для промышленной реализации технологии энергетического использования пиролизной жидкости необходимы более глубокие исследования совокупности процессов термической переработки древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование.

Во второй главе проведён анализ процессов, протекающих при пиролизе древесины и сжигании пиролизной жидкости. Совокупность процессов термической переработки древесины с получением пиролизной жидкости и её энергетического использования можно представить в виде расчётной схемы:

Рис. 1. Расчётная схема процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования

Механизм химических превращений в ходе процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования можно представить в следующем виде:

ПИРОЛИЗНЫЙ ГАЗ

'к,

УПГС +

ДРЕВЕСИНА-Ь-- ПИРОЛИЗНАЯ _А/* ЮЗДУХ \ к„к.,к„ гп г]П

жижость \ {у.1)КОКС /кХГ СОг+Нг°

^ 3 + ВОЗДУХ

ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ

Согласно данному механизму уравнение формальной химической кинетики пиролиза на стадии термического разложения древесины для локального объёма твёрдой фазы имеет вид:

Ф,

дх

( »3000 148000 112000 \

4,4-109е +1,1-Ю^е + 3,3-106е \Рдр. (1)

Определение температуры локального объёма в ходе процесса быстрого пиролиза осуществлялось с помощью уравнения теплопроводности:

( \дТ 8 „ дТ

дт дх I дх

, дТ

(2)

Определение выхода жидких продуктов термического разложения древесины осуществляется по выражениям для первичных реакций:

дРп _л 1 1О10 -153000/ЯГ „

и для вторичных реакций термического разложения древесины:

йо -(2,6 • 106<?-'ошо/яг • р +1 ■ р )

-;-<4>

Таким образом, при заданных значениях свойств исходного сырья (порода, влажность, размер частиц) и режимных параметров процесса термического разложения (температура, время нахождения в зоне реакции, скорость перемещения парогазовой смеси) можно определить величину выхода пиролизной жидкости.

На основе полученных значений, можно определить плотность массового потока:

и массовый расход пиролизной жидкости:

^пж = ] п ' /ч ' Уцп ' Лкочд ' Лкрех ' (6)

Начальные условия задаются исходя из равномерного начального распределения температуры. Граничные условия 2-го рода для уравнения теплопроводности (2) задаются при различных тепловых потоках, характеризующих различную скорость нагрева частицы.

Для разработки математической модели горения капли пиролизной жидкости был принят ряд допущений, согласно которым физико-химическую картину процесса горения капли пиролизной жидкости можно разделить на три основных стадии. Первой стадией является распыливание пиролизной жидкости, в результате чего образуются капли, диаметр которых, с учётом выхода пиролизной жидкости, можно определить на основании эмпирического выражения:

г \0.« , ч 1,5

4,= 597

(^возд

7,

пж

1000-^

^возд J

(7)

На второй стадии горения пиролизной жидкости происходит нагрев капли и испарение летучих компонентов с её поверхности. При этом вокруг капли образуется облако, а на границе раздела между облаком и окислителем происходит горение. Принимаем, что лимитирующей стадией процесса горения пиролизной жидкости является процесс термического разложения, а процесс термического разложения является одностадийной химической реакцией с переменной скоростью.

Изменение концентрации веществ при термическом разложении пиролизной жидкости можно определить с помощью дифференциальных выражений:

дг

8Рлгс &

дг

- = -КРпж1"„от> (8)

~=УА РпжЫпот', (9)

(1-У )КРпж1иивт. (Ю)

Изменение температуры капли по длине камеры сгорания определялось на основании предположения идеального вытеснения и сферической формы капли:

т 1 а С, 2дту 6гор

X х —- +__. (П)

& ипоЛс^ЛспжРпж)хгдхУ пж дх) ипот(сксркс + с„жрпж)'

Температурное поле в газовой фазе можно рассчитать по выражению:

----. (12)

& СгРгипо,п

Стадия термического разложения капли пиролизной жидкости заканчивается при равенстве нулю потока парогазовой смеси с поверхности капли.

После окончания стадии термического разложения происходит диффузия окислителя к поверхности частицы. В результате начинается горение коксового остатка. При рассмотрении этого процесса принимаем последовательный стадийный характер окисления углерода. Взаимодействие углерода с окислителем (Ог, СОг, Н20) протекает с участием промежуточных нестабильных образований.

Массовый поток углерода от поверхности частицы определяется выражением:

Выгорание частицы коксового остатка происходит по выражению: и,„с1тш„ .

■ = 04)

КС КС

<к

а общее время выгорания коксовой частицы определяется по уравнению

л.

Г.., = —

1 л ' -- (.5)

2М< ¿, 1с

Данная математическая модель позволяет описать процессы термического разложения древесины и горения капли пиролизной жидкости и получить значения режимных параметров и другие данные, необходимые для проектирования устройств энергетического использования пиролизной жидкости.

В третьей главе описан экспериментальный стенд для исследования процесса быстрого пиролиза древесины, приведены методика проведения и анализ результатов исследований (рис. 2). Стенд состоит из: А - блока продувки системы инертным газом, Б - реактора, В - трансформатора с регулировочным блоком, Г - блока измерения температуры и обработки данных, Д - блока измерения объёма газообразных продуктов пиролиза.

Для экспериментального исследования процесса сжигания пиролизной жидкости была разработана и изготовлена установка (рис. 3), которая состоит из распылительной горелки 11 с системой подогрева 7 и фильтрации 1 топлива, камеры сгорания 16, снабжённой теплоизоляцией 13 и термопарами 14, блока анализа продуктов сгорания (17-21). С использованием данной экспериментальной установки были проведены исследования по сжиганию пиролизной жидко-

сти при различных значениях температуры предварительного подогрева топлива, расхода топлива, расхода вторичного воздуха, а также сравнительное исследование процессов горения пиролизной жидкости и дизельного топлива.

1, у.иг.щциц и (! )«

II' 18/ ц/ '21

Рис. 2. Экспериментальная установка Рис. 3. Экспериментальная установка исследования термического разяоже- исследования энергетического исполь-ния древесины зования пиролизной жидкости

В третьей главе приведены также результаты математического моделирования совокупности процессов термической переработки древесины с получением пиролизной жидкости (рис. 4) и её энергетического использования. Анализ результатов показывает, что оптимальными значениями температуры термической переработки древесины для получения максимального выхода пиролизной жидкости является 400-550°С (рис. 5), а влажность сырья не должна превышать 10% (рис. 6).

Рис. 5. Зависимость выхода продуктов термического разложения древесины от температуры пиролиза

ТогловоЯ гюгох, к&г/н2

Рис. 4. Зависимость времени разложения древесной частицы от величины теплового потока к частице сырья для различных пород: 1 - дуб, 2 - берёза, 3 - сосна, 4 - тополь.

Сравнение теоретических и экспериментальных данных позволили сделать вывод об адекватности разработанной модели реальному процессу. Максимальное расхождение составило 22%.

Также представлены методика и результаты исследований химического состава и основных физических свойств пиролизной жидкости, приведены результаты термического анализа пиролизной жидкости и обработки экспериментальных данных. Полученные термогравиметрические и дифференциальнотер-могравиметрические кривые (рис. 7) показывают, что процесс протекает в три

стадии. На первой стадии происходит испарение воды и низкокипящих соединений, сопровождающееся поглощением энергии. Вторая стадия характеризуется постоянной сравнительно небольшой скоростью убыли массы и соответствует нагреву тяжёлых фракций. Третья стадия - разложение тяжёлых фракций. При этом в среде азота третья стадия происходит при поглощении энергии, а в среде воздуха - с её выделением (горение).

100 Г

£ бо

ев

I 40 ■е

О 20

древесина

К" >ра

\

\

I ^ уЧ 1 1 — 1- 1 I — 1- [ II

_

4 8 12 16 Влажюсть сыры, %

' 25

и

' 20

пГ

15 и г?

10 «1

!Г

5 *

О

а 100 200 зоо «Ю 500 Температура, X

Рис. 7. Результаты термического анализа пиропизной жидкости. Стадии: I - испарение воды и легкокипящих соединений; П - нагрев тяжёлых фракций; Ш - разложение тяжёлых фракций

Рис. 6. Зависимость эффективности совокупности процессов термической переработки древесины в пиролизную жидкость и её энергетического использования от влажности исходной древесины

Обработка результатов термического анализа с использованием метода Коутса-Редферна позволила получить значения кинетических констант для реакции термического разложения пиролизной жидкости. Было определено, что процесс описывается как реакций- 3-го порядка, фактор частоты составляет 2.33-103 с'1, энергия активации - 3,966-МДж/кг. Тепловой эффект реакции по трём стадиям термического разложения пиролизной жидкости составляет 1007, 95,6 и 287 Дж/г соответственно.

Результаты моделирования (рис. 8) показали, что целесообразным является повышение давления распиливания лишь до 120 кПа, что было подтверждено при экспериментальном исследовании. С увеличением температуры и давления размер капли уменьшается, что приводит к интенсификации процесса энергетического использования, однако следует отметить, что увеличение давления первичного воздуха целесообразно до значения 120 кПа, т.к. дальнейшее увеличение не приводит к существенному уменьшению размера капли, однако требует повышенных энергозатрат для создания давления.

В результате исследований были получены данные о температурном поле в камере сгорания (рис. 9) и содержании кислорода по длине камеры сгорания.

Экспериментальные исследования сжигания пиролизной жидкости позволили определить верхний предел предварительного подогрева топлива, при котором происходит интенсивное кипение, что приводит к ухудшению условий воспламенения, распиливания и горения вплоть до их невозможности. Был определён также нижний предел температуры предварительного подогрева топли-

ва, ниже которого распиливание затруднено вследствие высокой вязкости. Оптимальный диапазон составил 60-80°С.

1,2 1,4 1.6 1,8 Давление воздуха, бар

100 200 300 400

Рассгояшв от соша горелкц ым

Рис. 9. Температурное поле в камере сгорания при расходе топлива: 1 - 5,6 кг/ч; 2 - 4,8 кг/ч; 3 - 4,2 кг/ч.

Рис. 8. Зависимость диаметра капли от давления первичного воздуха при температуре жидкости: 1 — 20°С, 2 — 40°С, 3 - 80°С.

Из полученных зависимостей видно, что температура по длине камеры сгорания падает очень быстро. Следовательно, для обеспечения эффективности сжигания необходимо оборудовать камеру сгорания теплоизоляцией для обеспечения температуры, достаточной для поддержания горения. Полученные зависимости показывают также, что при увеличении расхода топлива температура в камере сгорания увеличивается. Полученные экспериментальные данные о температурном поле в камере сгорания хорошо согласуются с результатами математического моделирования.

При экспериментальном исследовании процесса горения пиролизной жидкости также были получены зависимости температуры и содержания кислорода на выходе из камеры сгорания от расхода топлива и от расхода воздуха для вторичного дутья.

С увеличением расхода топлива температура в камере сгорания повышается, а содержание кислорода понижается. Это объясняется тем, что увеличение расхода топлива ведёт к более интенсивному горению топливной смеси, что повышает температурный уровень процесса, но для её горения требуется большее количество кислорода, что снижает его содержание. При повышении расхода воздуха для вторичного дутья температура падает, что объясняется разбавлением распыляемой топливной смеси воздухом, а содержание кислорода растёт, т.к. дополнительный вторичный воздух разбавляет распылённую топливную смесь и продукты сгорания.

В четвертой главе представлена схема способа получения пиролизной жидкости из органосодержащего сырья, защищенного патентом РФ на изобретение №2395559. Данный способ позволяет перерабатывать отходы деревообрабатывающей промышленности и другое органосодержащее сырьё в жидкие продукты с выходом до 70% и уголь.

Также в данной главе представлены результаты исследований процесса сжигания пиролизной жидкости с использованием стандартного оборудования.

Результаты исследований показали невозможность использования горелок испарительного типа для сжигания пиролизной жидкости из-за коксования на испарительной поверхности. Распылительные горелки показали устойчивое горение с приемлемыми показателями эффективности.

В результате проведённых исследований была разработана опытно-промышленная установка энергетического использования пиролизной жидкости, включающая универсальную горелку, котёл, системы топливоподачи, промывки установки и утилизации тепла. Оригинальная система топливоподачи включает в себя ёмкость, фильтр с подогревом, топливный насос и систему промывки топливной аппаратуры полярным растворителем после окончания работы перед остановкой котла. Организация системы промывки топливной аппаратуры позволяет предотвратить образование засоров и пробок в результате полимеризации остатков пиролизной жидкости.

Тепловая мощность участка составила 30,3 кВт, т.е. 60% от номинальной мощности. Определение концентрации СО и N0 в продуктах сгорания пиролизной жидкости показало, что содержание угарного газа соответствует установленным нормам ГОСТ 10617-83 для жидких печных топлив в случае сжигания пиролизной жидкости с коэффициентом избытка воздуха менее 1,3. Содержание N0 соответствовало норме во всех отобранных пробах.

В результате ог .енки экономической эффективности процесса при различных вариантах энергетического использования пиролизной жидкости (сжигание в котле, в газовой турбине, в дизельном двигателе) было определено, что предлагаемая технология является экономически эффективной при производительности установки более 200 кг/ч.

В приложениях к работе

Приведены протоколы исследований свойств и химического состава пиролизной жидкости, программа расчёта математической модели и акт внедрения опытно-промышленной установки для переработки древесных отходов методом термического разложения.

Основные выводы:

> Проведён анализ существующих в мировой практике технологий энергетического использования древесной биомассы и продуктов её переработки;

> Разработана математическая модель совмещённых процессов переработки древесины термическим методом и сжигания пиролизной жидкости;

> Разработаны и изготовлены экспериментальные установки для исследования процессов термического разложения древесины, а также сжигания пиролизной жидкости; разработаны методики проведения исследований;

> Определён характер влияния свойств древесины и режимных параметров процессов на эффективность энергетического использования древесины с применением технологии быстрого пиролиза;

> Определён механизм термического разложения пиролизной жидкости;

> Разработана и изготовлена опытно-промышленная установка энергс-

тического использования пиролизной жидкости с системой подготовки топлива и промывки топливной системы;

> Разработаны рекомендации для реализации совокупности процессов переработки древесины в пиролизную жидкость и её энергетического использования: влажность исходной древесины - менее 10%, температура подогрева пиролизной жидкости - 60-80°С, давление распиливания пиролизной жидкости - 120 кПа.

> Проведённый экономический анализ показал целесообразность промышленного применения технологии.

Основные обозначения: d- диаметр, м; а- поверхностное натяжение, мН/м; и - скорость, м/с; р - парциальная плотность, м3/кг; G - расход, м3/ч; Г - температура, К; Y - доля парогазовой смеси; к - константа скорости химической реакции, с"1; с - теплоёмкость, Дж/кг К; Я - коэффициент теплопередачи, Вт/(мК); АН - теплота химической реакции, Дж; j - удельный массовый поток компонента, кг/м2сек; М- молярная масса, кг/моль; р - парциальное давление, Па; т- время, с; ß - коэффициент массоотдачи, кг/(м2К); N — диффузионно-химический критерий; Q - теплота, Дж; F — площадь, м2;/- удельная площадь, м2/м3; х - координата по капле, м; I - координата по длине камеры сгорания, м;г}- коэффициент динамической вязкости, Па-с; V- объём, м3.

Индексы: 0 - начальный; пж - пиролизная жидкость; возд - воздух; др - древесина; пот - поток газовой фазы; уг - уголь; реак - химическая реакция; ПГС -парогазовая смесь; г - газовая фаза; кс - коксовая частица; п - пар; конд - конденсация; крек - крекинг; ап - аппарат; т.р. - термическое разложение; гор - горение; 1-11- химические реакции.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Забелкин, С.А. Энергетическое использование жидких продуктов быстрого пиролиза древесины / С.А. Забелкин, Д.В. Тунцев, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров // Вестник Московского государственного университета леса. Лесной вестник.-2010,-№4 (73).-С. 79-84.

2. Забелкин, С.А. Модификация фенолоформальдегидных смол жидкими продуктами пиролиза древесины и изучение их клеящей способности / С.А. Забелкин, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров, E.H. Черезова // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №8. - С. 440-444.

3. Забелкин, С.А. Энергетическое использование пиролизной жидкости / С.А. Забелкин, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров, Ф.И. Мулламухаметов // Вестник Казанского технологического университета. -2010. -№10. - С. 369-375.

4. Забелкин, С.А. Математическое моделирование процесса горения жидких продуктов быстрого пиролиза отходов деревообработки / С.А. Забелкин, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета.-2011.-№10.-С. 86-91.

Патенты:

5. Пат. № 2395559. РФ, МПК СЮВ. Способ термической переработки органосодержащего сырья / А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров, С.А. Забелкин, A.A.

Макаров, Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов; патентообладатель ООО «ЭнергоЛес-Пром». -№2009108597/04. заявл. 10.03.2009, опубл. 27.07.2010, Бюл. №21.

6. Положительное решение по заявке № 2010109221/05 РФ, МПК C10L 1/00, C10L 3/00, F23G 5/027. Способ переработки птичьего помета / Башкиров В.Н., Грачев А.Н., Башкиров Д.В., Забелкин С.А., Макаров A.A., Тунцев Д.В., Хисматов Р.Г., Халитов А.З., Герке Л.Н., Князева A.B. Заявитель и патентообладатель ООО «Химтех». -2010109221/05; заявл. 15.03.2010.

Труды в прочих изданиях:

7. Забелкин, С.А. К вопросу энергетического использования жидкого биотоплива / С.А. Забелкин, В.Н. Башкиров, А.Н. Грачёв, A.A. Макаров, Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов // Энергетика в современном мире: материалы конференции. - Чита: ЧитГУ, 2009. - Ч. П. - С. 69-71.

8. Забелкин, С.А. К вопросу распыливания полученного быстрым пиролизом жидкого биотоплива / С.А. Забелкин, A.A. Макаров // Материалы докладов IV Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения». - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2009. - Т. 3. - С. 87-88.

9. Забелкин, С.А. Математическое моделирование процесса распыливания жидкого биотоплива / С.А. Забелкин, Д.В. Тунцев, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров // Сборник труде в ХХП Международной научной конференции «Математические методы в тех! ике и технологиях ММТТ-22». - Псков, 2009. - С. 12-13.

10. Забелкин, С.А. К вопросу утилизации растительной биомассы методом быстрого пиролиза / С.А. Забелкин, Ф.И. Мулламухаметов, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров II XI Международная конференция молодых учёных «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 13-16 апреля 2010). Сборник тезисов докладов. - Казань: Изд-во «Отечество», 2010. - Часть 2. - С. 40.

Просим принять участие в работе диссертационного совета ДМ 212.080.12 или выслать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, Казанский национальный исследовательский технологический университет, учёному секретарю, ДМ 212.080.12. Тел.: (843) 231-89-37, 8-917-247-03-00, факс (843) 231-41-57. E-mail: szabelkin@pmail.com.

Соискатель С.А. Забелкин

Формат 60x84/16 Тираж 100 Подписано к печати 22.12.2012

Печать офсетная. Усл. пл. 1/)0. Заказ 100

Издательство КГАУ/420015 г. Казань, ул. К.Маркса, д.65 Лицензия на издательскую деятельность код 221 ИД № 06342 от 28.11.2001 г. Отпечатано в типографии КГАУ 420015 г. Казань, ул. К.Маркса, д.65 Казанский государственный аграрный университет

61 12-5/1682

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

На правах рукописи

Забелкин Сергей Андреевич

ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОЕ ТОПЛИВО И ЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины 05.21.05- Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор,

заслуженный изобретатель РТ БАНКИРОВ В.Н. кандидат технических наук, доцент

ГРАЧЁВ А.Н.

Казань, 2011

Введение 6

Глава I. Аналитический обзор и современное состояние техники и 14 технологии в области энергетического использования древесины с применением технологии быстрого пиролиза

1.1. Роль биомассы дерева в мировой энергетике 14

1.2. Классификация вторичных древесных ресурсов 17

1.2.1. Отходы леса при заготовке и транспортировке 19

1.2.2. Отходы при производстве лесоматериалов 20

1.2.3. Отходы при производстве целлюлозы 21

1.3. Технологии энергетического использования биомассы дерева 21

1.3.1. Быстрый пиролиз биомассы 24

1.4. Энергетическое использование жидких продуктов 28 термического разложения древесины

1.4.1 Использование жидких продуктов термического разложения 28 древесины в котлах

1.4.2 Газификация пиролизной жидкости 32

1.4.3 Использование пиролизной жидкости в дизельных двигателях 33

1.4.4 Использование пиролизной жидкости в газовых турбинах 41

1.4.5. Совместное сжигание пиролизной жидкости и ископаемых 51 топлив

1.4.6. Другие направления энергетического использования 53 пиролизной жидкости

Частные выводы 54

Постановка задачи 55

Глава II. Математическая модель совокупности процессов 56 термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования

2.1 Физико-химическая картина совокупности процессов 56 термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования

2.2 Формализация процессов совокупности процессов 64 термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования

2.3 Математическая модель совокупности процессов термического 68 разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования

2.4 Алгоритм расчёта математической модели совокупности 80 процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования

Частные выводы 82

Глава III. Экспериментальное исследование процесса переработки 83 древесины в жидкое топливо и его энергетического использования

3.1. Экспериментальные стенды для исследования процесса 83 переработки древесины в жидкое топливо и его энергетического использования

3.1.1. Экспериментальный стенд для исследования процесса 83 термического разложения древесины

3.1.2. Экспериментальный стенд для исследования процесса 88 сжигания пиролизной жидкости

3.2. Методика проведения исследований процесса переработки 92 древесины в жидкое топливо и его энергетического использования

3.2.1. Методика проведения исследования процесса термической 92 переработки древесины

3.2.2. Методика проведения исследований процесса сжигания 93 пиролизной жидкости

3.3. Исследование свойств пиролизной жидкости 94

3.3.1. Определение фракционного состава пиролизной жидкости 95

3.3.2. Исследование химического состава пиролизной жидкости 96

3.3.3. Исследование физических и топливных свойств пиролизной 99 жидкости

3.3.4. Исследование кинетики и выхода продуктов при термическом 101 разложении пиролизной жидкости

3.3.5. Исследование продуктов термического разложения 104 пиролизной жидкости

3.4. Анализ результатов экспериментального исследования и 106 математического моделирования процесса переработки древесины в жидкое топливо и его энергетического использования

3.4.1. Анализ результатов математического моделирования и 106 экспериментальных исследований процесса термического разложения древесины

3.4.2. Анализ результатов исследования кинетики и выхода 111 продуктов при термическом разложении пиролизной жидкости

3.4.3. Анализ результатов экспериментальных исследований и 119 математического моделирования процесса сжигания пиролизной жидкости

Частные выводы 130

Глава IV. Промышленная реализация результатов исследований 132 процессов переработки древесины в жидкое топливо и его энергетического использования

4.1. Промышленная реализация технологической стадии 132 переработки древесины в жидкое топливо

4.1.1. Разработка способа переработки древесины в пиролизную 132 жидкость

4.1.2. Опытно-промышленная установка для переработки 137 древесных отходов методом термического разложения

4.2. Промышленная реализация технологической стадии 142 энергетического использования пиролизной жидкости

4.2.1. Использование пиролизной жидкости в промышленной 142 горелке испарительного типа

4.2.2. Опытно-промышленная установка энергетического 143

использования пиролизной жидкости

4.2.3. Использование пиролизной жидкости в горелке 148 распылительного типа

4.2.4. Исследование состава продуктов сгорания пиролизной 151 жидкости

4.3. Технико-экономическая оценка технологии энергетического 155 использования древесных отходов с применением технологии быстрого пиролиза

Частные выводы 165

Основные выводы 166

Основные обозначения 167

Список использованных источников 169

Приложение 1. Результаты исследования химического состава 184 пиролизной жидкости

Приложение 2. Программа расчёта кинетических параметров 189 процесса термического разложения пиролизной жидкости

Приложение 3. Акт внедрения опытно-промышленной установки 229 для термохимической переработки древесных отходов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из актуальных проблем лесного комплекса является использование низкокачественной древесины и древесных отходов, образующихся при лесозаготовке, лесопереработке и деревообработке. В частности, перед предприятиями деревообрабатывающей промышленности уже сейчас весьма остро стоит проблема утилизации отходов деревообработки, доля которых доходит до 60% от объёмов готовой продукции. В то же время биомасса дерева является перспективным возобновляемым источником энергии. По прогнозам Европейского совета по возобновляемой энергетике (ЕЫЕС) к 2040 г. за счёт возобновляемых источников энергии будет покрываться почти половина мирового потребления первичной энергии, причём 25% будет составлять доля энергии биомассы [1]. Однако, древесина имеет ряд существенных недостатков при энергетическом использовании. Нестабильность топливных свойств и гранулометрического состава, гигроскопичность, низкая энергетическая плотность приводят к снижению эффективности энергетического использования древесных отходов. Одним из путей снижения влияния данных недостатков является использование термохимических методов переработки древесины. Среди этих методов наиболее эффективным является процесс быстрого пиролиза, который позволяет перерабатывать биомассу дерева с высоким выходом жидких продуктов (пиролизной жидкости). Жидкие продукты имеют ряд преимуществ по сравнению с исходной древесиной, которые особенно проявляются при их транспортировке, хранении и использовании. Однако для промышленной реализации технологии получения и энергетического использования жидких продуктов пиролиза необходимо проведение более глубоких научных исследований. В связи с этим комплексное исследование совокупности процессов переработки древесины термохимическими методами в жидкое топливо и его энергетического использования на

существующем топливном оборудовании является актуальной задачей как в научном, так и в практическом плане.

Степень проработанности проблемы. Вопросам энергетического использования древесины посвящены работы Архангельского В. Д., Веретенника Д.Г., Койкова П.М., Головкова С.И., Гутермана М.Н., Загорье A.M., Заха Р.Ю.Г., Зыкова Ф.И., Качелкина Л.И.,, Коперина И.Ф., Коротаева Э.И., Клименко М.И., Левина А.Б., Мардера М.В., Морозова Б.Ф., Найдёнова В.И, Пижурина П.А., Павлосюка В.А., Померанцева В.В., Рушнова Н.П., Семёнова Ю.П., Шереметьева B.C. и др.

Значительный вклад в изучение процессов сжигания пиролизной жидкости внесли такие учёные, как Э.В. Бриджуотер, Ю. Солантауста, А. Оасмаа, С. Черник, Д. Майер, К. Ди Блази, С. Гросс, Д.К. Джэй, К. Сипиля, А. Шихадэ, Д. Чарамонти, К. Бертоли, Р.Г. Эндрюс, Р. Стрензиок, Б.М. Вагенаар, С.Р. Шадикс и др.

Однако комплексные исследования переработки древесины в жидкое топливо и его энергетического использования практически не проводились, а проведённые исследования не позволяют оценить эффективность совокупности данных процессов, что подтверждает актуальность работы.

Цель работы состоит в исследовании совокупности процессов переработки древесины в жидкое топливо термохимическим методом и последующего энергетического использования полученного топлива методом сжигания с применением существующего оборудования. В связи с этим в представленной работе были поставлены следующие задачи:

1. Определить характер влияния свойств древесины и режимных параметров процесса термохимической переработки на топливные свойства пиролизной жидкости;

2. Идентифицировать физико-химическую картину совокупности процессов термического разложения древесины и сжигания пиролизной жидкости;

3. Разработать математическую модель совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования;

4. Разработать экспериментальный стенд и провести исследования характера влияния факторов на выход жидких продуктов при термическом разложении древесины;

5. Разработать экспериментальный стенд и провести исследования процесса энергетического использования пиролизной жидкости методом сжигания;

6. Разработать опытно-промышленную установку энергетического использования пиролизной жидкости.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель совокупности процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования, учитывающая породу древесины, размер частицы, скорость нагрева, многокомпонентный состав пиролизной жидкости, а также зависимость свойств пиролизной жидкости от породы древесины, влажности и режимных параметров процесса;

2. Определён характер влияния температуры процесса, скорости нагрева, размера частиц, породы и влажности древесины на эффективность совокупности процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования;

3. Установлен механизм и получены кинетические константы скорости химической реакции термического разложения

3 1

пиролизной жидкости (фактор частоты 2,33-10 с" , энергия активации 39,66 кДж/моль);

4. В ходе математического моделирования определено целесообразное значение давления первичного воздуха при распыливании пиролизной жидкости, которое составило 120 кПа;

5. В ходе экспериментальных работ определён диапазон температур предварительного подогрева пиролизной жидкости (60-80°С), при котором осуществляется наиболее эффективное и стабильное горение.

Практическая ценность. Результаты моделирования совокупности процессов термической переработки древесины и энергетического использования пиролизной жидкости позволяют получить данные о влиянии свойств древесины на процесс и выход продуктов термического разложения древесины, о температурном поле в камере сгорания и о продолжительности выгорания капли пиролизной жидкости в зависимости от режимных параметров. Определён характер зависимости топливных свойств пиролизной жидкости от режимных параметров процесса термического разложения и свойств древесины. Разработаны экспериментальные установки, позволяющие определять влияние свойств древесины и режимных параметров на совокупность процессов термического разложения древесины и энергетического использования пиролизной жидкости. Были определены оптимальные значения температуры предварительного подогрева и давления распыливания пиролизной жидкости при сжигании. Разработан и защищён патентом способ получения пиролизной жидкости из древесных отходов. Разработана и изготовлена опытно-промышленная установка энергетического использования пиролизной жидкости.

Реализация работы. Результаты проведённых в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, разработке конструкторской документации и создании опытно-промышленной установки энергетического использования пиролизной жидкости. По результатам исследования разработана схема производственного комплекса

по переработке древесины методом термического разложения. Разработана и внедрена в производство в Матюшинском производственном участке №2 ГБУ РТ «Пригородное лесничество» опытно-промышленная установка для термохимической переработки низкокачественной древесины.

Автор защищает:

1. Математическую модель совокупности процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её сжигания в распылённом факеле;

2. Зависимость топливных свойств пиролизной жидкости от режимных параметров процесса термического разложения и свойств древесины;

3. Конструкции экспериментальных установок для исследования процесса термического разложения древесины, а также процесса сжигания пиролизной жидкости;

4. Результаты математического моделирования и проведённых исследований на экспериментальных установках;

5. Схему опытно-промышленной установки энергетического использования пиролизной жидкости.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Основные результаты, выносимые на защиту, относятся к п. 2 паспорта специальности 05.21.05 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и п. 19 паспорта специальности 05.21.03 «Энергосберегающие и интенсивные технологические процессы более эффективного использования вторичных топливных и энергетических ресурсов химической технологии древесины с целью экономии натуральных видов топлива в технологии химической переработки биомассы дерева (в ЦБП, ГП, ЛХП, ДСП и ДВП)».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: VI Всероссийской научно-практической

конференции «Энергетика в современном мире», г. Чита, 2009; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», г. Вологда, 2008; Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения», г.Казань, 2009; Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-22, Псков, 2009; Международной научно-практической конференции «Биоэнергетика и биотехнологии - эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки», г. Москва, 2009; XI Международной конференции молодых учёных «Пищевые технологии и биотехнологии», г. Казань, 2010; Международном научно-практическом семинаре «Экологически устойчивое развитие. Рациональное использование природных ресурсов», г. Тула, 2010; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодёжи «Актуальные проблемы органической химии», г. Казань, 2010; Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в промышленности, науке и образовании», г. Оренбург, 2010; Молодёжном инновационном центре «МИЦ-Саров 2010».

Личное участие автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены экспериментальные установки для исследования процессов термического разложения древесины, а также энергетического использования пиролизной жидкости, проведены экспериментальные исследования по получению пиролизной жидкости из различных видов сырья и её сжиганию, разработана и реализована опытно-промышленная установка энергетического использования пиролизной жидкости. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 25 печатных работ, из которых 4 статьи в журналах,

рекомендуемых ВАК, 1 патент РФ на изобретение и 1 положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 183 страницах машинописного текста и включает в себя 65 рисунко�