автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Разработка техники и технологии термохимической переработки влажных древесных отходов в метанол

На правах рукописи

Хисамеева Альбина Рашидовна

РАЗРАБОТКА ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ В МЕТАНОЛ

05.21.05—Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки 05.21.03 — Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кавдидата технических наук

Казань - 2013

005061418

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Научные руководители — доктор технических наук, доцент

Тимербаев Наиль Фарилович;

— доктор технических наук, профессор Сафин Рушан Гареевич

Официальные оппоненты: — доктор технических наук

Мингалеева Гузель Рашидовна Исследовательский центр проблем энергетики Учреждения Российской академии наук КазНЦ РАН, заведующая лабораторией моделирования систем производства энергии

— доктор технических наук, профессор Канарский Альберт Владимирович Казанский национальный исследовательский технологический университет, профессор кафедры пищевой биотехнологии

Ведущая организация — ОАО «Волжско-камский научно-

исследовательский институт лесной промышленности», г. Казань

Защита диссертации состоится 24 мая 2013 года в 13:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, Казань, К. Маркса, 72, аудитория В-216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан « 24 » апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Е.И. Байгильдеева

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В настоящее время в рамках направления рационального природопользования ктуальной проблемой является переработка влажных древесных отходов, которые огромных количествах скапливаются не только на территориях еревообрабатывающих предприятий, но и на лесосеках и лесхозах по всей России, возможна переработка влажных отходов путем сжигания в печах для получения олько тепловой энергии, требующая дополнительных затрат на предварительную сушку таких отходов. В связи с этим, переработка влажных древесных отходов в тепловую энергию имеет низкую эффективность. При выработке метанола появляется возможность утилизации тепла химической реакции и повышения тем самым эффективности процесса переработки таких отходов. При правильном подходе к использованию лесных ресурсов из древесных отходов можно получить возобновляемый сырьевой ресурс. Поэтому очень важным является разработка технологии термохимической переработки путем газификации древесных отходов, позволяющая помимо полной утилизации отходов получить синтез-газ, который в дальнейшем можно использовать в химической промышленности.

Синтез-газ (смесь оксида углерода и водорода) является исходным сырьем для ценных химических продуктов, в том числе метанола. В известных технологиях процесс производства метанола осуществляется конверсией природного газа в синтез-газ с последующим каталитическим синтезом метанола.

Наиболее эффективным методом переработки влажных древесных отходов является использование генераторного газа, полученного путем газификации древесных отходов, в качестве сырья для получения метанола. Получаемый при этом газ не содержит примесей серы. Однако при совмещенных процессах газификации древесных отходов и каталитического синтеза метанола усложняется прогнозирование регулирующих параметров и конструктивных особенностей установки. Зависимость состава синтез-газа и качества метанола от параметров вышеуказанных процессов требует специального подхода к организации технологического процесса и проектированию оборудования. Поэтому разработка технологий, позволяющих эффективно перерабатывать влажные отходы деревообработки с последующим каталитическим синтезом метанола, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с заданием Министерства образования РФ в рамках НИР №0120.0852795 «Исследование процессов высокотемпературного горения органических соединений» и при поддержке: гранта по программе «Старт 1» договор № 8573р/13910 и государственного контракта № 16.525.11.5008 по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала и моторного топлива».

Степень проработанности проблемы

Вопросам термической переработки древесных отходов посвящены работы Канторовича Б.В., Кутева И.Г., Юдушкина Н.Г., Семенова Ю.П., Мингалеевой Г.Р., ТаймароваМА,, Гроо A.A.

В работах Кутепова AM., Караваева М.М., Смирнова H.H., Бондаревой Н.И. рассматриваются технологии производства метанола и оборудование, а также его дальнейшее использование в химической промышленности.

Несмотря на большое количество научных работ в области термохимической переработки древесных отходов следует отметить, что отсутствуют работы по комплексной переработке влажных древесных отходов, направленные на получение генераторного газа для дальнейшего получения метанола.

День работы,

На основе исследований термохимической переработки высоковлажных древесных отходов разработать технологию, методы расчета и аппаратурное оформление процесса получения метанола из влажных древесных отходов путем газогенерации.

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. Определить характер влияния свойств древесины и режимных параметров процесса газификации на состав генераторного газа;

2. Идентифицировать физико-химическую картину совокупности процессов газификации древесных отходов и каталитического синтеза метанола;

3. Разработать экспериментальный стенд и провести исследование процесса получения метанола из древесных отходов;

4. На основании результатов моделирования выявить влияние параметров процесса на качество образующегося метанола;

5. Разработать методику расчета для проектирования рабочих элементов опытно-промышленной установки;

6. Промышленно реализовать результаты теоретических, экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Научная новизна

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную переработку влажных древесных отходов в метанол через стадию газификации.

В результате экспериментальных исследований определен характер влияния влажности древесных отходов на состав генераторного газа.

Установлен механизм кондуктивной сушки древесных отходов и получены зависимости влияния температуры теплоносителя и влажности материала на длительность процесса сушки.

Разработана математическая модель процесса сушки древесных отходов за счет теплоты химических реакций.

Определен характер влияния температуры и давления в реакторе на выход метанола.

Разработан способ получения синтетического метанола из влажных древесных отходов.

Практическая ценность.

Результаты моделирования совокупности процессов газификации древесных тходов и каталитического синтеза метанола позволяют получить данные о влиянии войств древесины на процесс и состав продуктов термического разложения ревесины в зависимости от режимных параметров. На базе полученных данных азработаны и реализованы опытно-промышленные установки для переработки лажных древесных отходов в синтез газ и дальнейшей переработки его в метанол, ыли определены оптимальные режимные параметры процесса сушки влажных ревесных отходов при кондуктивном подводе тала. Разработано и защищено атентом аппаратурное оформление процесса переработки влажных древесных тходов в метанол.

Рряличапия работы.

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при роектировании опытно-промышленной установки для газификации влажных ревесных отходов с дальнейшим получением метанола, внедряемой в настоящее время в учебно-научно-производственном комплексе ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» г. Казань.

Установка для термической переработки высоковлажных древесных отходов внедрена в ЗАО «Ласкрафт» г. Казань.

Создан экспериментальный стенд для исследования процесса переработки влажных древесных отходов в метанол и внедрен в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».

Личный вклад автора.

Автором была разработана орновная идея диссертации, сформулирована задача исследования. В ходе выполнения работы при непосредственном участии автора изготовлен экспериментальный стенд для исследования процесса получения метанола путем газификации влажных древесных отходов; проведены экспериментальные исследования, разработаны и реализованы: опытно-промышленная установка переработки влажных древесных отходов в генераторный газ с последующим получением метанола; газогенератор для газификации влажного топлива (Пат. №2453768), способ получения метанола (положительное решение по заявке №2012107545 РФ).

Автор защищает:

- способ переработки высоковлажных древесных отходов в генераторный газ;

- способ переработки древесных отходов в метанол;

- конструкцию экспериментального стенда для исследования совмещенных процессов газификации влажных древесных отходов и каталитического синтеза метанола;

- результаты моделирования и проведенных экспериментальных исследований совмещенных процессов газификации влажных древесных отходов и каталитического синтеза метанола;

методику расчета и схему опытно-промышленных установок термохимической переработки влажных древесных отходов в синтез-газ с последующим получением метанола.

Аппобация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях КНИТУ (Казань, 2010-2013), на пятой Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011), на 4-й научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажкостная обработка материалов) СЭТТ-2011» (Москва, 2011), на Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты» (Казань, 2011), на третьей Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тешга-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, 2012).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 монография, б статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ (№2453768), и 1 положительное решение о выдаче патента по заявке №2012107545 РФ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 138 страницах машинописного текста, включающих 32 рисунка и .12 таблиц. Библиографический список включает 153 наименования цитируемых работ российских и зарубежных авторов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель

исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрена роль древесных отходов в химической промышленности, проведены классификация лесосечных отходов и отходов деревообрабатывающих предприятий и методы их переработки. Рассмотрены и проанализированы существующие технологии и оборудование по производству синтез-газа и получения метанола. Дан анализ современного состояния метанольного производства на мировом уровне, а также обзор существующих наиболее крупных предприятий. В результате анализа сделан вывод о том, что в настоящее время одним из наиболее перспективных методов переработки влажных древесных отходов является получение из них синтез-газа для производства метанола.

Вп втопой главе приведен анализ процессов, протекающих при газификации влажных древесных отходов и каталитическом синтезе метанола. Совокупность процессов термической переработки влажных древесных отходов с получением синтез-газа и его дальнейшей конверсии в метанол можно представить в виде технологической схемы, представленной на рисунке 1.

Согласно данной схеме влажные древесные отходы из бункера загрузки 1 поступают в зону прогрева 2. Прогрев отходов производится при конвективном подводе тепла от насыщенных паров, образующихся при кондуктивной сушке древесных отходов в сушильной зоне 3 газификатора 4. Затем древесные отходы поступают в газогенератор. Другим входным потоком в систему переработай

влажных древесных отходов является кислород, который подается в качестве окислителя через рекуперативный теплообменник 5. Полученный генераторный газ очищается от механических примесей в блоке очистке 6 и охлаждается в рекуперативном теплообменнике 7. Затем этот газ доводят до сырьевого продукта -синтез-газа, освобождая от двуокиси углерода в сепараторе 8 и добавляя по мере необходимости водород в буферную емкость 9.

2 3 7 8 9

Я. \£_ \й- \М-

\||1Я№»М|КН

Рис.1. Технологическая схема процесса переработки влажных древесных отходов в

метанол

Далее синтез-газ компримируют и направляют в реактор синтеза метанола 10. Полученную смесь охлаждают в рекуперативном теплообменнике 11. Следующим этапом идет сепарация в блоке 12 с разделением на парогазовую смесь и метанол-сырец. Удаление паров воды из сушильного бункера осуществляется и с помощью водокольцевого вакуумного насоса 13.

Внутри рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы тепломассопереноса, осложненные химическими превращениями.

При переработке влажных древесных отходов наиболее энергоемким процессом, влияющим на эффективность всего процесса, является процесс сушки.

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при высокотемпературной сушке древесных отходов внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения тепломассопереноса для одномерной симметричной пластины. С учетом принятых допущений дифференциальные уравнения изменения температуры и влаги примут вид

этм (^Т 4

№.. —^ = ат| -ттг) /

-р

зь

ш.

{ а*'

Эи к.

дЪ р0

+-

а

а)

дх2

(2)

При конвективном подводе энергия изменения параметров теплоносителя (температуры и влагосодержания) определяется соотношениями

(1Т _ д { (3)

<Ц сг-рог е-\уг'

ах^ и в„ (4)

(И

wг

ЛУГ

р0(1-е)-ЛУм Ь0

Совместное решение дифференциальных уравнений (1) - (4) при краевых условиях (5) - (6) описывает кинетику прогрева и сушки влажных древесных отходов в шнековом транспортере.

и(0;х)=им Тм (О; х) = Тмк Т(1;х) = Тгн> Х(1;х)=Х„

(5)

(б)

и 0; о) = ип(1)= ар",

Тм О; О) = тм/!) = т(1).

При вакуумно-кондуктивной сушке древесных отходов в сушильной зоне газификатора удаляется адсорбционно-связанная влага и влага макро- и микрокапилляров. Так как движение связанного вещества в капиллярно-пористом теле считается достаточно медленным, то температура практически равна температуре стенок капилляра и связана с давлением в капилляре зависимостью, которую с учетом уравнения Антуана запишем в виде

Р^ = ехр

№

2с-рп

Рж ' гк ' ехР

А —

(3)

Ввиду того, что скелет древесных частиц имеет сопротивление истечению паровой смеси, парциальное давление пара во фронте испарения отличается от парциального давления пара над поверхностью материала. Принимая допущение, что течение на всем отрезке капилляра имеет установившийся, паузейлевский профиль скорости запишем перепад давления для пара в виде эмпирического уравнения Эр-гана

АР = Р^ - Рср =

150

(1-ем)2

На®,

- + 1,75-——

^ г Ну ¿ь

(4)

'М "к °м ик

Из уравнения (4) с помощью уравнения (3) находим со^ - скорость течения жидкости, и подставляя в уравнение (5) находим массовый поток несжимаемой жидкости при ее ламинарном течении внутри материала по капиллярам

Р -

При нахождении частиц в одинаковых условиях и идеальном перемещении компонентов пара уравнение материального баланса по паровому компоненту парогазовой смеси, находящейся над поверхностью влажного материала, можно записать в виде

^ т - ОспР^* = УсВ(1р. (6)

В уравнении (6) фигурирует объемная производительность системы удаления пара <2сп- В разработанной конструкции газогенератора камера сушки подключается к водокольцевому вакуумному насосу через конденсатор. Очевидно, что в этом случае объемная производительность системы удаления пара будет складываться из объемных производительностей насоса и конденсатора

ес/7=е*(7)

Температура насыщения пара может быть определена по известной зависимости

Г ^ Д

А-ЫР' (8)

Поделив уравнения (7) на Лг, придем к следующему дифференциальному уравнению

•^-(ЗспР^св^. (9)

Парциальную плотность пара можно связать с его парциальным давлением, используя уравнение Менделеева - Клапейрона В итоге будем иметь

р^. (10) КГ '

Подставляя выражение (10), а также производную от р по времени в формулу (9), после некоторых преобразований получим дифференциальное уравнение изменения парциального давления пара

'<2сп 1 Уев Т

Изменение температуры пара определим из теплового баланса паровой фазы. При отсутствии собственных источников или стоков тепла, а также его подвода извне уравнение будет иметь вид

рСУсват = а(Тмп - Т>ч1т - (5спрСТс1Т + С1уТмп<1т. (12)

Поделив уравнение (12) на г/г, подставив в него выражения (10), после некоторых преобразований получим дифференциальное уравнение изменения температуры пара

ат

<*РП .... РЯТ ат -усв.^~Рп

(И)

</г

«РКР^мп -Т) вэ , Р1Щ мРСГсв Уев Усв^Р.

Т. (13)

Совместное решение приведенной математической модели с известными моделями, описывающими процесс газогенерации и синтеза метанола, позволяет моделировать сложный процесс переработки влажных древесных отходов в метанол.

В третьей главе представлено описание экспериментального стенда и методика проведения экспериментов для изучения процессов сушки, газификации влажных древесных отходов и каталитического синтеза метанола. Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических зависимостей.

Для исследования процесса переработки влажных древесных отходов в метанол и влияния параметров сырья на процесс газификации и синтез метанола был разработан экспериментальный стенд, схема которого представлена на рисунке 2., а внешний вид - на рис. 3.

• ••

□

ГА

САК

хмс

1

Рис. 2. Схема экспериментального стенда для исследования процесса переработки высоковлажных древесных отходов в метанол Экспериментальный стенд состоит из шнекового питателя 2, бункера сушки 3 газогенератора 4, рекуперативных теплообменников 1, 6 и 9, газгольдера компрессором 7, нагревательного элемента 8, реактора каталитического синте метанола 11, баллонов с кислородом 16, с оксидом углерода 14 и водородом 13 пробоотборников генераторного газа, синтез-газа, метанола. Регистрация, хранени и анализ экспериментальных данных осуществляется газоанализатором 17 хромато-масс-спектрометром 19 и системой автоматического контроля 18.

Экспериментальный стенд позволяет проверить адекватность разработанно модели, исследовать влияние входных параметров на состав получаемог генераторного газа. Также экспериментальный стенд позволяет исследова процессы, протекающие в реакторе синтеза метанола при различных значения давления и температуры.

Результаты исследований представлены на рис. 4-Н5. Проведень экспериментальные исследования по выявлению основных закономерностей параметров процессов сушки, газификации и каталитического синтеза метанола.

Рис. 3. Внешний вид экспериментального стенда для исследования процесса

переработки высоковлажных древесных отходов в метанол На рис. 4 и 5 представлены результаты расчетных и экспериментальных данных параметров древесных частиц и сушильного агента в шнековом транспортере. Температура сушильного агента (перегретого пара) экспоненциально снижается, а его влагосодержание обратно пропорционально возрастает до состояния насыщения (см. рис. 4),

т га и„ т-----Ттмп га

10В --»200

25---' 50

0-1-,-.-.-.-И

0 0,4 0,8 1.2 1,6 Цм1 5 04 &в 12 1,6 Цм[

Рис. 4. Зависимость температуры и Рис. 5. Влагосодержание и температура влагосодержания теплоносителя по длине поверхности древесных частиц по длине шнекового транспортера шнекового транспортера

Анализ кривой влагосодержания показывает (см. рис. 5), что по мере движения в шнековом транспортере древесные частицы сначала увлажняются до 80% вследствие конденсации насыщенных паров, а затем начинают терять влагу. Температура поверхности древесных частиц непрерывно повышается. При сорбции влаги температура повышается по выпуклой кривой, а при десорбции (сушке) - по вогнутой кривой.

Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает 23%.

На рисунке 6 представлены зависимости состава образующегося генераторного газа от влажности древесных отходов. Как видно из данных зависимостей,

увеличение влагосодержания древесных отходов приводит к увеличению образования С02 и уменьшению СО и Н2. Увеличение образования С02 связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и, как следствие, снижением скорости реакций восстановления, что в свою очередь и приводит к уменьшению содержания СО и увеличению количества водяных паров.

Отмечено, что содержание водорода в генераторном газе при значениях влажности в пределах 24-26% имеет максимальное значение.

У. [%]

-л Уст[%]

а 5 ю 15 20 25 30 35 40 45 IIРЧ Рис. 6. Зависимость концентрации компонентов генераторного газа от влагосодержания древесных отходов: 1 - С02; 2 - СН4; 3 - СО; 4 - Н2 На рисунке 7 представлена зависимость выхода метанола от давления в реакторе. Повышение давления способствует более глубокой переработке оксидов улерода, особенно СО, так как синтез метанола протекает с уменьшением объема, а восстановление диоксида углерода - без его изменения. Анализ кривой выявил оптимальное значения давления (Р = 4,9 МПа), при котором равновесный выход

метанола максимальный.

На рисунке 8 представлена зависимость выхода метанола от температуры. Как видно из графика, оптимальная температура синтеза при максимальном выходе метанола с меньшими энергетическими затратами составляет Т = 250 °С.

12 л

10 Ь* О

Ъ 6 _

X < * 6 3 5

12:

• 6 3 Р [МПа]

Рис. 7. Зависимость выхода метанола от давления

170 190 21В 230 250 270 Т[Ъ] Рис. 8. Зависимость выхода метанола от температуры

В четвертой главе.

На основе результатов экспериментальных исследований и математического оделирования разработаны газогенератор для газификации влажных древесных тходов, новизна которого подтверждена патентом РФ №2453768 (см. рис. 9), и пособ каталитического синтеза метанола, новизна технологии которого одтверждена положительным решением по заявке №2012107545 РФ.

Разработанная установка для термической переработки высоковлажных

Установка переработки влажных древесных отходов в метанол путем азификации (рис. 9), состоящая из узла загрузки, газогенератора, системы подачи гента газификации, системы очистки и зоны получения метанола внедряется в астоящее время на УНПК «КНИТУ». В ней с помощью тепловой трубы, асположенной в камере сушки газогенератора, энергия химических превращений ередается на сушку и прогрев исходного материала и окислителя.

Проведенный технико-экономический анализ разработанных установок оказал, что экономический эффект от их внедрения для термохимической ереработки влажных древесных отходов составляет более 1,4 млн.руб.

В приложении к работе приведены инженерный и конструкторский расчет сех узлов установки, результаты статистической обработки полученных данных и кт внедрения, подтверждающие практическое использование основных езультатов работы предприятиями.

Основные результаты и выводы 1. Проведен анализ современного состояния техники и технологий производства метанола из синтез-газа, полученного путем газификации, рассмотрена физическая картина совмещенных процессов газогенерации и каталитического синтеза метанола, сформулированы основные допущения.

2. Разработана математическая модель тепломассообменных процессов прогрева и сушки влажных древесных отходов за счет теплоты химической реакции.

3. Разработан экспериментальный стенд и методика проведения

экспериментальных исследований.

4. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований определены зависимости влияния параметров процесса на состав и теплотворную способность генераторного газа, а также влияния давления и

температуры на выход метанола.

5. Увеличение влажности отходов приводит к снижению содержание горючих компонентов и теплотворной способность генераторного газа.

6 При использовании катализатора марки СНМ-1 для получения высокого выхода метанола и, соответственно, достижения высоких степеней превращения оксидов углерода и водорода предпочтительно поддерживать температуру 200-260 °С, а давление в диапазоне 5-7 МПа (низкотемпературный синтез).

7 По результатам исследований разработан способ газификации влажных отходов (свыше 30%), позволяющий получить генераторный газ высокой теплотворности, а также способ получения метанола при использовании одного легкодоступного катализатора марки СНМ-1.

8 Установка для термической переработки высоковлажных древесных отходов, новизна которой подтверждена патентом РФ, внедрена в производство на ЗАО «Ласкрафт».

9 Технология термохимической переработки влажных древесных отходов в метанол принята к внедрению в учебно-научно-производственный комплекс ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологическии университет».

Основные обозначения: Т - температура, °С; ат - коэффициент температуропроводности, м2/с; т - время, с; с - коэффициент парообразования, г -скрытая теплота парообразования, кДж/кг; С - теплоемкость, кДж/(кг-К); и -влагосодержание, кг/кг; кр - коэффициент молярного переноса; Р - давление, к№; аэ -коэффициент динамической вязкости. Па с; ТУ - скорость, м/с; р - плотность, кг/м3' б - объемная производительность, м3/с; Б-площадь поверхности испарения, м2' 'а - коэффициент поверхностного натяжения; X - коэффициент теплопроводности, кВт(м-К); к - коэффициент теплопередачи, кВт(м -К); У„ -свободный объем в сушильной камере; м3, / - длина конвейера, м; й - высота бункера, м.

Индексы: м - материал; н - насос; к - конденсатор; ж - жидкость; г - газ; см -смесь- ср - среда; ф - фазовый; сг - система удаления газа; св - свободный; сп -система удаления пара; нач - начальный; р - рабочий^ инж - инжектируемым; сж -сжатый; мп - поверхность материала; кр - критический.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монография:

1. Тимербаев, Н.Ф. Совершенствование техники и технологии процесса азификации высоковлажных древесных отходов: монография / Н.Ф. Тимербаев,

Г. Сафин, АР. Хисамеева, Т.Д. Исхаков // М-во образ, и науки России, Казанский ационапьный исследовательский технологический университет. - Казань: КНИТУ, 012.-95 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

2. Тимербаев, Н.Ф. Газификация органических видов топлива [Текст] / [.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. 2011.-№1.-С. 326-329.

3. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса сушки древесных частиц при ондуктивном подводе тепла [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, АР. Хисамеева / Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 4. - С. 84-90.

4. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса прямоточной газификации ревесных отходов [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, АР. Садртдинов, .Р. Хисамеева //Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № . - С. 75-79.

5. Тимербаев, Н.Ф. Совершенствование процесса газификации древесных тходов с целью получения моторного топлива [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, .Г. Сафин, ДА. Ахметова, А.Г. Мухаметзянова, АР. Хисамеева // Вестник азанского технологического университета. - 2011. - № 19. - С. 211 -213.

6. Тимербаев, Н.Ф. Газификация влажных древесных отходов [Текст] / [.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, АР. Хисамеева, Д. А. Ахметова // Вестник Казанского ехнологического университета. - 2012. — № 17. — С. 195-199.

7. Сафин, Р.Г. Разработка энергосберегающей технологии газогенерации древесных отходов [Текст] / Р.Г., Сафин, Н.Ф. Тимербаев, М.В. Шулаев, М.В. Хузеев, АР. Хисамеева // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. -2011. -№11-12. -С.63-70.

Патенты:

8. Пат. 2453768 Российская Федерация, МПК F23G 5/027. Газогенератор для газификации влажного топлива / Сафин P.P., Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Г., Разумов Е.Ю., Тимербаев Н.Ф., Воронин АЕ., Садртдинов АР., Хисамеева А.Р.; заявитель и патентообладатель ООО «Научно-технический центр Альтернативная энергетика». - № 2010154606/06; заявл. 30.12.2010; опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17.

9. Положительное решение по заявке №2012107545 РФ, МПК С07С 29/145, C10J 3/84, B01J 8/06 (2006.01). Способ получения метанола / Тимербаев Н.Ф., Зиатдинова Д.Ф., Сафин P.P., Сафин Р.Г, Хисамеева АР., Садртдинов АР., Ахметова д.А, Бадрутдинов М.Б., Шабаева Г.А, Ширяева JIB. Заявитель ФГБОУ ВПО «КНИТУ». - №2012107545; заявл. 28.02.2012.

Труды в прочих изданиях:

10. Хисамеева, АР. Вакуумно-кондуктивная сушка отходов деревообработки / АР. Хисамеева, Р.Р.Миндубаев // «Вакуумная техника и технология»: материалы

пятой Рос. студ. науч.-технич. конф. 19-21 апреля 2011г. — Казань: Изд-во Казан, го технол. ун-та, 2011. - С.96-97.

11. Тнмербаев, Н.Ф. Газификация органических видов топлива Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, АР. Хисамеева // Материалы научной сесси Казанского государственного технологического университета. — Казань, 2011. — 330.

12. Хисамеева, А.Р. Моделирование процесса сушки отходов деревообрабоп при кондуктивном подводе тепла / АР. Хисамеева, Н.Ф. Тимербае, Р.Г. Сафин «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка термовлажностная обработка материалов): материалы четвертой международ. на> - практ. конф. - М.: 2011. - С. 155-157.

13. Хисамеева, АР. Проект газогенератора для газификации влажного тошшв / А.Р. Хисамеева // «Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты»: материал междунар. науч.-практ. конф. Молодых ученых и спец-в. 21-22 октября 2011г. Казань: Изд-во Казан, гос. технол. ун-та, 2011. -С.286-289.

14. Хисамеева, А.Р. Способ получения моторного топлива из дрепвесш отходов / АР. Хисамеева, Л.М Исмагилова // Материалы научной сесси Казанского государственного технологического университета. - Казань, 2013. С. 340.

15. Хисамеева, АР. Процесс газификации как этап для получения моторно топлива / АР. Хисамеева, Т.Х. Галеев // «Интенсификация тепло-массообменны процессов, промышленная безопасность и экология»: материалы третьей всеро студ. науч.-техн. конф. -Казань: Изд-во казан, гос. технол. ун-та, 2012. -С. 105-107.

Соискатель А.Р. Хисамеева

Формат60*84/16 Тираж' 100. Подписано к печати 23.04.2013г.

Печать офсстная. Усл.пл. 1,00. Захаз 184.

Издательство КГАУ/420015 г.Киакь, улХМаркса, д.65 Лицензия на издательскую деятельность код 22! ИД №06342 от 28.11.2001 г. Отпечатано в типофафии КГ А У 420015 г.Казань, ул.К.Мяркса, д.65. Казанский государственный аграрный университет

Казанский национальный исследовательский технологический

университет

На правах рукописи

Хисамеева Альбина Рашидовна

04201359473

РАЗРАБОТКА ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ В МЕТАНОЛ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки 03.21.03 — Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, доцент,

ТИМЕРБАЕВ Н.Ф. доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ САФИН Р.Г.

Казань - 2013

19

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ ДРЕВЕСНЫХ 10

ОТХОДОВ В МЕТАНОЛ

1.1 Классификация и методы переработки древесных отходов 12

1.2 Аппаратурное оформление процессов термохимической переработки влажных древесных отходов путем газификации

1.3 Современное состояние метанольного производства 26 1.4. Технологии и оборудование метанольного производства 35 Выводы 41 Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ ДРЕВЕСНЫХ 42

ОТХОДОВ В МЕТАНОЛ

2.1. Физико-химические процессы термохимической переработки влажных древесных отходов в метанол

2.2. Формализация процессатермохимической переработки влажных древесных отходов в метанол

2.3. Математическая модель совмещенных процессов газификации влажных древесных отходов и каталитического синтеза метанола

2.4.Алгоритм расчета математической модели процесса термохимической переработки влажных древесных отходов в метанол Выводы 69 Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ ДРЕВЕСНЫХ 70 ОТХОДОВ В МЕТАНОЛ

3.1. Экспериментальный стенд для исследования совмещенных

процессов газификации влажных древесных отходов и каталитического 71

синтеза метанола

42

48

50

64

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований 74

3.3. Анализ результатов экспериментальных данных 77 Выводы 85 Глава 4. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ 86 ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ В МЕТАНОЛ

4.1. Описание опытно-промышленной установки термохимической переработки влажных древесных отходов в метанол

4.2. Инженерный и конструкторский расчет установки 95 4.4 Техническое оснащение разработанной установки 101 4.5. Анализ экономической эффективности от внедрения опытно-промышленной установки

Выводы 112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 115

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 118

ПРИЛОЖЕНИЯ 134 Приложение 1. Статистическая обработка экспериментальных данных Приложение 2. Технико-технологические и тепловые расчеты основного и вспомогательного оборудования опытно-промышленной установки термохимической переработки влажных древесных отходов в метанол Приложение 3. Акт внедрения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В настоящее время в рамках направления рационального природопользования актуальной проблемой является переработка влажных древесных отходов, которые в огромных количествах скапливаются не только на территориях деревообрабатывающих предприятий, но и на лесосеках и лесхозах по всей России. Возможна переработка влажных отходов путем сжигания в печах для получения только тепловой энергии, требующая дополнительных затрат на предварительную сушку таких отходов. В связи с этим, переработка влажных древесных отходов в тепловую энергию имеет низкую эффективность. При выработке метанола появляется возможность утилизации тепла химической реакции и повышения тем самым эффективности процесса переработки таких отходов. При правильном подходе к использованию лесных ресурсов из древесных отходов можно получить возобновляемый сырьевой ресурс. Поэтому очень важным является разработка технологии термохимической переработки путем газификации древесных отходов, позволяющая помимо полной утилизации отходов получить синтез-газ, который в дальнейшем можно использовать в химической промышленности.

Синтез-газ (смесь оксида углерода и водорода) является исходным сырьем для ценных химических продуктов, в том числе метанола. В известных технологиях процесс производства метанола осуществляется конверсией природного газа в синтез-газ с последующим каталитическим синтезом метанола.

Наиболее эффективным методом переработки влажных древесных отходов является использование генераторного газа, полученного путем газификации древесных отходов, в качестве сырья для получения метанола. Получаемый при этом газ не содержит примесей серы. Однако при

совмещенных процессах газификации древесных отходов и каталитического синтеза метанола усложняется прогнозирование регулирующих параметров и конструктивных особенностей установки. Зависимость состава синтез-газа и качества метанола от параметров вышеуказанных процессов требует специального подхода к организации технологического процесса и проектированию оборудования. Поэтому разработка технологий, позволяющих эффективно перерабатывать влажные отходы деревообработки с последующим каталитическим синтезом метанола, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с заданием Министерства образования РФ в рамках НИР №0120.0852795 «Исследование процессов высокотемпературного горения органических соединений» и при поддержке: гранта по программе «Старт 1» договор № 8573р/13910 и государственного контракта № 16.525.11.5008 по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработай отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала и моторного топлива».

Степень проработанности проблемы

Вопросам термической переработки древесных отходов посвящены работы Канторовича Б.В., Кутева И.Г., Юдушкина Н.Г., Семенова Ю.П., Мингалеевой Г.Р., Таймарова М.А., Гроо A.A.

В работах Кутепова A.M., Караваева М.М., Смирнова H.H., Бондаревой Н.И. рассматриваются технологии производства метанола и оборудование, а также его дальнейшее использование в химической промышленности.

Несмотря на большое количество научных работ в области термохимической переработки древесных отходов следует отметить, что отсутствуют работы по комплексной переработке влажных древесных отходов, направленные на получение генераторного газа с дальнейшим получением метанола.

Цель работы

На основе исследований термохимической переработки высоковлажных

древесных отходов разработать технологию, методы расчета и аппаратурное оформление процесса получения метанола из влажных древесных отходов путем газификации.

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. Определить характер влияния свойств древесины и режимных параметров процесса газификации на состав генераторного газа;

2. Идентифицировать физико-химическую картину совокупности процессов газификации древесных отходов и каталитического синтеза метанола;

3. Разработать экспериментальный стенд и провести исследование процесса получения метанола из древесных отходов;

4. На основании результатов моделирования выявить влияние параметров процесса на качество образующегося метанола;

5. Разработать методику расчета для проектирования рабочих элементов опытно-промышленной установки;

6. Промышленно реализовать результаты теоретических, экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Научная новизна

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную переработку влажных древесных отходов в метанол через стадию газификации.

В результате экспериментальных исследований определен характер влияния влажности древесных отходов на состав генераторного газа.

Установлен механизм кондуктивной сушки древесных отходов и получены зависимости влияния температуры теплоносителя и влажности материала на длительность процесса сушки.

Разработана математическая модель процесса сушки древесных отходов за счет теплоты химических реакций.

Определен характер влияния температуры и давления в реакторе на выход метанола.

Разработан способ получения синтетического метанола из влажных древесных отходов.

Практическая ценность

Результаты моделирования совокупности процессов газификации древесных отходов и каталитического синтеза метанола позволяют получить данные о влиянии свойств древесины на процесс и состав продуктов термического разложения древесины в зависимости от режимных параметров. На базе полученных данных разработаны и реализованы опытно-промышленные установки для переработки влажных древесных отходов в синтез газ и дальнейшей переработки его в метанол. Были определены оптимальные режимные параметры процесса сушки влажных древесных отходов при кондуктивном подводе тепла. Разработано и защищено патентом аппаратурное оформление процесса переработки влажных древесных отходов в метанол.

Реализация работы

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при проектировании опытно-промышленной установки для газификации влажных древесных отходов с дальнейшим получением метанола, внедряемой в настоящее время в учебно-научно-производственном комплексе ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» г. Казань.

Установка для термической переработки высоковлажных древесных отходов внедрена в ЗАО «Ласкрафт» г. Казань.

Создан экспериментальный стенд для исследования процесса переработки влажных древесных отходов в метанол и внедрен в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».

Автор защищает:

- способ переработки высоковлажных древесных отходов в генераторный

газ;

- способ переработки древесных отходов в метанол;

конструкцию экспериментального стенда для исследования совмещенных процессов газификации влажных древесных отходов и каталитического синтеза метанола;

- результаты моделирования и проведенных экспериментальных исследований совмещенных процессов газификации влажных древесных отходов и каталитического синтеза метанола;

- методику расчета и схему опытно-промышленных установок термохимической переработки влажных древесных отходов в синтез-газ с последующим получением метанола.

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 на научных сессиях КНИГУ (Казань, 2010-2013), на пятой Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011), на 4-й научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)

СЭТТ-2011» (Москва, 2011), на Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты» (Казань, 2011), на третьей Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, 2012).

Личное участие автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач исследования. В ходе выполнения работы при непосредственном участии автора изготовлен экспериментальный стенд для исследования процесса получения метанола путем газификации влажных древесных отходов; проведены экспериментальные исследования, разработаны и реализованы: опытно-промышленная установка переработки влажных древесных отходов в генераторный газ с последующим получением метанола; газогенератор для газификации влажного топлива (Пат. № 2453768), способ получения метанола (Пат. № 2478604).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 монография, 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента РФ (№ 2453768, № 2478604 ).

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Основное содержание изложено на 138 страницах машинописного текста и включает в себя 35 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 153 наименования цитируемых работ российских и зарубежных авторов.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ ДРЕВЕСНЫХ

ОТХОДОВ В МЕТАНОЛ

Общая площадь лесных земель России в 2012 году составила свыше 890 млн. га. К 2030 году планируется увеличение на 0,9-1,5%. Прирост произойдет в основном за счет искусственного и естественного облесения заброшенных сельскохозяйственных угодий, а также в результате наступления леса на не покрытые лесом земли.

Общий запас древесины в Российской Федерации в 2010 году составлял свыше 83 млрд. м3. По прогнозу он увеличится на 2,4-5% за счет увеличения общей площади лесов, потепления климата, атмосферных выпадений азота и низкого уровня использования расчетной лесосеки. Средний годичный прирост увеличится с 1016 млн. м3 на 7,7-10,4%.

Площадь лесов, где законодательно допускается промышленная заготовка древесины, имеет тенденцию к сокращению, с 677 млн.га (в 2010 году) до 654-665 млн.га (в 2030 году), или на 3,4-1,2%. Доля этих площадей в общей площади лесов сократится с 84 до 79-80% вследствие создания новых охраняемых территорий. В то же время развитие энергетики позволяет снизить затраты на древесное сырье за счет эффективного использования дровяной древесины и древесных отходов.

Современная структура лесо- и деревопереработки такова (рис. 1.1), что в разряд пиломатериалов удаётся перевести только 32% исходного древесного сырья. Соответственно оставшиеся 68% могут быть использованы в качестве экологически чистого возобновляемого источника энергии с применением технологии газификации [30].

Так как лишь небольшая часть всех видов отходов используется в энергетических целях, перерабатывается в топливные гранулы и брикеты, все

остальное пропадает на лесных делянках и свалках, загрязняя почву продуктами распада древесины.

Рис. 1.1. Структура лесо- и деревопереработки

Утилизация древесных отходов - одна из проблем лесопромышленного комплекса (ЛПК). Из-за низкого уровня технологических процессов деревопереработки процент древесных отходов на предприятиях ЛПК в зависимости от способа производства может достигать 60%. А низкие цены на ископаемые энергетические ресурсы, в свою очередь, сдерживают развитие биоэнергетики в нашей стране.

Развитие энергетики на древесном топливе открывает большие возможности для дальнейшего развития основных технологий в ЛПК. В последнее время тарифы на энергоресурсы растут опережающими темпами и вскоре достигнут мирового уровня. Тепловые электростанции на древесном топливе стали экономически эффективными, так как тарифы на такую тепловую энергию в 2-3 раза дешевле действующих тарифов. Перевод предприятий ЛПК на собственные источники тепловой и электрической энергии - мощный фактор повышения эффективного производства. Например, при определенных условиях, таких как нулевая стоимость сырья (например, древесные отходы на деревообрабатывающем предприятии), производство качественного генераторного газа из отходов биомассы может быть более

рентабельным, чем их производство из динамично дорожающих традиционных энергоносителей [96].

Для получения энергии можно использовать любые древесные отходы. От того, в каком виде будет использоваться биотопливо, зависит эффективность его горения и стоимость энергии, которая вырабатывается с ее помощью. Наиболее существенным недостатком древесных отходов как топлива является их нестабильное влагосодержание, которое в зависимости от вида колеблется в пределах 12-80%.

Проблема эффективной термической переработки отходов лесозаготовки и деревообработки в генераторный газ заключается в острой необходимости разработки оптимальной техники и технологии газификации древесины. Для решения данной задачи необходима разработка научно обоснованных технологических выводов и заключений, позволяющих внедрить данный опыт в работу ЛПК.

1.1. Классификация и методы переработки древесных отходов

Отходы - это та часть сырья, которая отделяется в процессе обработки как не соответствующая тех