автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование техники и технологии процесса высокотемпературной паровзрывной обработки древесных отходов

На правах рукописи

005536997

Просвирников Дмитрий Богданович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

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 кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Казань-2013

005536997

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

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Сафин Рушан Гареевич;

кандидат технических наук, доцент Зиатдинова Диляра Фариловна.

Официальные оппоненты: Сергеев Валерий Васильевич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет», заведующий кафедрой экономики и управления.

Гурьянов Алексей Ильич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», профессор кафедры энергообеспечения предприятий и энергоресурсосберегающих технологий;

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический)

федеральный университет им. М.В. Ломоносова», г. Архангельск.

Защита диссертации состоится 29 ноября 2013 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, К. Маркса, 72, аудитория В-216.

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

Автореферат разослан 29 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Е.И. Байгильдеева

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Проблемы утилизации древесных отходов, образование значительного объема которых в лесозаготовительной и деревообрабатывающей отраслях обуславливается нерациональным использованием древесного сырья на предприятиях соответствующего профиля, является весьма актуальной.

Традиционные технологии химической переработки древесины, а в частности и древесных отходов, являются устаревшими и характеризуются высоким износом технологического оборудования, имеют относительно низкую производительность по сравнению с зарубежными конкурентами, что в совокупности отрицательно влияет на устойчивое позиционирование отечественных технологий на мировом рынке лесохимической промышленности.

Древесина, обладая уникальными теплофизическими свойствами, а также строением и компонентным составом, является органическим сырьем, при температурном воздействии на которое без применения химических реагентов возможно получить как ценнейшие химические продукты, так и полуфабрикаты -чистые компоненты древесины. Такой грамотный подход к использованию данного сырья является весьма эффективным и экологически привлекательным, на основе чего возможно разрабатывать новые технологии и оборудование для переработки древесины.

Одним из путей практического применения данного подхода является организация экологически чистого процесса высокотемпературной паровзрывной обработки, позволяющего помимо утилизации древесных отходов получить доступное энергосырье - техническую целлюлозу, сахара и лигнин практически в чистом виде, пригодном для дальнейшей переработки в ценные продукты, такие как техническая и порошковая целлюлоза, органическое топливо, сельскохозяйственные корма, волокнистые полуфабрикаты. Процесс паровзрывной обработки может применяться как стадия активации древесного сырья перед процессами химической переработки.

Процесс паровзрывной обработки включает стадии подготовки материала, гидротермическую обработку насыщенным водяным паром, выдержку под высоким давлением, измельчение путем резкого сброса давления и последующую обработку волокнистого материала.

Следует отметить, что не имеется ясной физико-химической картины явлений, происходящих при данном процессе и отсутствуют работы по математическому моделированию данного многостадийного процесса. Очевидно, эти обстоятельства являются причиной весьма малого количества информации по промышленному применению данного процесса.

Работа выполнялась в рамках НИОКР по государственному контракту с ФСР МФП НТС № 8361р/10244 по теме «Разработка, создание и освоение новых

технологий в различных отраслях народного хозяйства», а также в рамках реализации Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 гг.» в ходе выполнения государственного контракта № 16.525.11.5008 по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала».

Степень проработанности проблемы

Исследованиями в области химии паровзрывной обработки занимались российские ученые Кузнецов Б.Н., Кузнецова С.А., Левданский В.А.. Исследованиями изменений морфологической структуры обрабатываемого сырья, модификации поверхности волокна при воздействии водяного пара и «взрывной» обработки занимались латвийские ученые Гравитис Я., Тээйяр Р., Каллавус У., Андерсоне Б., Кокоревич А., Эриньш П., Веверис Д., исследованиями в области гидротермической обработки древесины занимались Лыков A.B., Непенин Ю.Н., Гурьянов А.И., Сергеев В.В.

В работах ученых США и Канады, таких как Кокта Б., Ахмед А., Мэсон У., а также Сасоки Й. (Китай), Арвидсон М. (Швеция) этот метод предлагался как альтернатива получения химико-механической массы и химико-термомеханической массы, а также рассматривалась возможность получения целлюлозного волокна для получения бумага и картона. Испанские ученые Гарроте Г., Набарлац Д.А. исследовали данный процесс как путь получения органического жидкого топлива.

Цель работы

Состоит в совершенствовании существующих способов паровзрывной обработки древесных отходов, разработке методов расчета и аппаратурном оформлении данного процесса.

В связи с этим в настоящей работе бьии поставлены следующие задачи исследования:

1. Идентифицирование физической картины процессов, протекающих на всех стадиях паровзрывной обработки древесины.

2. Разработка экспериментального стенда для исследования процесса паровзрывной обработки древесины и проверка адекватности математической модели процесса паровзрывной обработки древесных отходов.

3. Разработка инженерной методики расчета технологического оборудования для проведения процесса.

4. Разработка аппаратурного оформления предлагаемого способа

переработки древесных отходов.

5. Экономическая и рыночная оценка предлагаемого способа.

6. Промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Научная новизна

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную организацию процесса переработки древесных отходов методом паровзрывной обработки:

• разработана математическая модель процесса паровзрывной обработки высоковлажных измельченных древесных отходов;

• по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены рациональные режимные параметры процесса для трех направлений использования данного метода: предварительной обработки древесного сырья перед крафт-процессом и гидролизом, получения высокодисперсного волокнистого полуфабриката; получения технической целлюлозы;

• установлены зависимости коэффициента массопроводности древесины при пропитке от температуры и кислотности среды;

• выявлены закономерности изменения теплопроводности и теплоемкости древесины в высоковлажном состоянии при температурах, больших 100 °С;

• установлены эмпирические зависимости предела прочности при растяжении поперек волокон высоковлажной древесины основополагающих пород

при повышенных температурах;

• выявлены зависимости фракционного состава и образующейся удельной поверхности от температуры, давления и времени декомпрессии для лигноцеллюлозного материала, получаемого при паровзрывной обработке;

• разработан новый способ переработки древесных отходов паровзрывным методом.

Практическая ценность

Разработанная математическая модель может быть использована при технологических расчетах процесса переработки древесных отходов паровзрывным методом.

Разработана установка для переработки измельченных древесных отходов паровзрывным методом в целлюлозный волокнистый полуфабрикат; новизна подтверждена патентами на изобретение.

На базе полученных аналитических решений разработана инженерная методика расчета процесса паровзрывной обработки древесных отходов, позволяющая выработать рекомендации по выбору рациональных режимных параметров для интенсификации и снижения себестоимости процесса, а также выявить конструктивные особенности аппаратурного оформления при внедрении процесса в комплексы более высокого порядка.

Разработаны и внедрены в производство новые конструкции оборудования и технологические рекомендации, направленные на получение целевых продуктов с улучшенными качествами.

Реализация работы

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при разработке способа переработки древесных отходов, а также при проектировании опытно-промышленного образца установки для переработки древесных отходов, внедренной на ООО «Органика».

На ООО «Научно-технический центр «Альтернативная энергетика» внедрена инженерная методика расчета технологического оборудования для паровзрывной обработки древесных отходов.

Созданные экспериментальные установки для исследования кинетики процесса обработки древесины паровзрывным методом внедрены в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».

Личный вклад автора

Автором была поставлена задача исследования, разработана математическая модель процесса паровзрывной обработки древесных отходов, разработаны экспериментальные установки, проведены экспериментальные исследования и математическое моделирование. Автором был разработан способ переработки древесных отходов паровзрывным методом, разработана инженерная методика расчета технологического оборудования, смонтирована пилотная установка для переработки древесных отходов (Пат. №2464367).

Автор защищает:

1. Способ переработай древесных отходов методом высокотемпературной паровзрывной обработки.

2. Математическую модель процесса паровзрывной обработки древесных отходов.

3. Конструкцию экспериментальных стендов.

4. Результаты экспериментальных исследований и их сравнения с расчетами по математической модели процесса паровзрывной обработки предложенным способом.

5. Технические решения на уровне изобретений установки для переработки древесных отходов методом высокотемпературной паровзрывной обработки.

6. Методику расчета технологического оборудования, схему и конструкцию опытно-промышленной установки.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на международных конференциях «Леса России в 21 веке» (Санкт-Петербург, 2010), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23» (Саратов, 2010), «Наукоемкие химические технологии-2012» (Москва, 2012), «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011), «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, 2012), а также на научных сессиях КГТУ-КНИТУ (Казань, 20010-2013).

Разработанная технология стала победителем следующих конкурсов: «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в Программе инновационных проектов «Идея-1000» (Казань, 2009), соискание именной стипендии мэра г. Казани (Казань, 2011), соискание специальной государственной стипендии Республики Татарстан (Казань, 2013). ,

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК, 4 патента на изобретение РФ №2413044, №2425917,2437972,2464367.

Обьем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 152 страницах машинописного текста, включающих 72 рисунка и 6 таблиц. Библиографический список включает 203 наименований цитируемых работ российских и зарубежных авторов.

Содержание работы

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

В первой главе диссертации приведен литературный обзор, в котором рассмотрены виды древесных отходов, анатомическое строение и химический состав древесины, а также дан сравнительный анализ современного состояния процессов химической и" паровзрывной обработки древесных отходов. Представлены основные подходы к математическому моделированию процесса паровзрывной обработки древесных отходов.

Обзор литературных источников позволил установить, что: технологии переработки древесных отходов методом паровзрывной обработки в промышленных и полупромышленных масштабах реализуются лишь в отдельных странах; несмотря на все более увеличивающееся распространение паровзрывного метода в мире, не имеется достаточного взаимосвязанного аналитического описания детальных физико-химических процессов, происходящих на каждой стадии процесса, а также параметров, влияющих на каждую из этих стадий.

Во второй главе приведена физическая картина процесса паровзрывной обработки древесных отходов с предварительной пропиткой, сформулированы основные допущения и приведены результаты теоретических исследований процессов, протекающих на следующих стадиях: предварительная пропитка, обработка паром высокого давления, разгерметизация системы и выгрузка продукта.

На рис. 1 представлено схематическое изображение камеры пропаривания. Материал пропитывается в бункере водным или водно-кислотным раствором,

после чего загружается в камеру, оснащенную наружным электронагревателем, которая герметично закрывается. Насыщенный пар подается внутрь, и материал прогревается. После выдержки сырья в камере производится резкая разгерметизация системы, и обработанный материал «выстреливается» в приемный резервуар.

С учетом принятых допущений стадия предварительной пропитки в бункере описывается уравнением влагопереноса:

аи _ д2и

(1)

(2)

(3)

¡=32)

Рис. 1 - Схематическое изображение камеры пропаривания

- П

" — Чпг ' Рп.пг.

с начальными условиями: и(0,х) =инач и граничными условиями: 5Ш )ж

9x1 х=0 кт • р0др

Стадия обработки паром высокого давления описывается следующими уравнениями.

Изменение давления в реакторе:

ат

М„-Уп

Изменение температуры материала:

с^маг(х,т) _ дЧм:„(х,т)

с!т ~ Йх' Эх2 с начальными условиями:

Тсл(0,х) = Тнач и граничными условиями:

гук = -Я,

ата

ах 1х=о

Изменение массы конденсата:

с!тк ак • тг • с1р • Н • (<:пов — <:мат)

с!т ~ г{

где

ак = 2,04 •

^ж-Рж'В

Цж

0,25

Уравнение скорости гидролиза гемицеллюлоз:

<1С»

ах,

• = к, • С

-обр

'Огмц '

-кг-Тпр

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Уравнение сохранения массы лигнина:

¿С, йт

■ = —к-> ■ С

(П)

обр

'Олиг

■ т

'сух

Стадия разгерметизации системы и следующими уравнениями.

Средняя скорость выхода продукта:

выгрузки продукта описывается

V =91

■ч

Ра'К~ ^кон ' Ратм

Изменение давления при открытии клапана:

1р _ г Рп • Увых ср. • ^к

ЙРкон = -Я--« аьк

^апп

Изменение растягивающего усилия в частице:

Е - V,

ДРразр. = _ . т^Р

стр • а,,

•П

Условие разрыва:

ДР >

5-Уч-П

Е- VI

Удельная поверхность получаемого продукта:

А уд = Г(ДР,тДек)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

А

В уравнениях ( 1 ), ( 5 ), ( 10 ), ( 11 ), ( 14 ), ( 16 ) величины кт, ах, кГ) к2, ар, определяются экспериментальным путем. Дифференциальные уравнения

уд —г—^—

математической модели решались методом сеток с помощью конечно-разностных схем.

В третьей главе представлено описание экспериментальных стендов и методика проведения экспериментов для изучения процессов, протекающих при паровзрывной обработке древесных отходов при различных режимах, приведены результаты экспериментальных исследований и математического

моделирования процесса.

Схема экспериментального стенда для высокотемпературной паровзрывной обработки измельченного древесного сырья представлена нарис. 2.

Рис. 2 - Схема экспериментального стенда для исследования высокотемпературной паровзрывной обработки измельченного древесного сырья

Стенд состоит из последовательно соединенных парогенератора 1, реактора высокотемпературной паровой обработки измельченных древесных отходов 2 с наружным обогревом, узла загрузки 3, узла сбора конденсата 4, вакуумного насоса 5, сбросного клапана 6, емкости для экстрагирования Сахаров 7, емкости для извлечения литшна 8. Установка оснащена датчиками температуры, давления и расхода, запорно-регулирующей арматурой, сбросными клапанами. Все сигналы с датчиков посылаются на контроллер АЦП. Данный стенд позволяет исследовать процессы, протекающие при гидротермической обработке древесного материала, и предназначен для получения образцов лигноцеллюлозы при различных режимных параметрах процесса. Анализируя физико-химические свойства получаемых образцов с помощью стандартного оборудования можно судить о характере самого процесса. Непосредственно на данной установке были проведены исследования зависимости давления пара от его температуры, а также исследования влияния влажности исходного сырья на скорость нагрева. Продукты, полученные на данной установке, подверглись тщательному физико-химическому анализу. Также с целью выявления основных закономерностей и параметров процесса был проведен ряд дополнительных экспериментальных исследований, результаты которых представлены на рисунках 4^19. В экспериментах использовались древесные опилки с размером частиц 5x10x0,5 мм.

При исследовании влияния породы древесины, влажности и температуры на предел прочности при растяжении поперек волокон использовался экспериментальный стенд, представленный на рис. 3. Основным элементом стенда является камера пропаривания 5. Насыщенный пар подводится из парогенератора внутрь камеры в вертикально расположенную перфорированную трубу. Внутри камеры расположены разъемные полки для размещения подготовленных образцов древесины. В каждый образец последовательно устанавливается датчик температуры Т2-Т6. Показания датчиков обрабатываются АЦП.

процесса пропаривания образцов древесины различных пород

Химический анализ исходного сырья проводился с целью установления массовых долей основных компонентов. Как видно из рисунка 4 хвойные породы отличаются от лиственных более низким содержанием пентозанов и более высоким

содержанием остальных компонентов. Полученные данные являются исходными для дальнейших экспериментальных исследований.

При исследовании процесса пропитки образцов древесины экспериментально выявлено, что с увеличением температуры и кислотности среды коэффициент массопроводности растет, причем не по линейному закону. Это обуславливается влиянием термоградиентного коэффициента и изменением плотности древесинного вещества вследствие гидролитической деструкции гемицеллюлоз. На рисунке 5 показано сравнительное изменение коэффициента массопроводности древесины осины при различных условиях пропитки.

Рис. 4 - Компонентный состав исходного сырья

О 20 т 60 80 1Q0 130 U0 1150 180 х, шга

Рис. 5 — Коэффициент массопроводности древесины осины: 1,2,3 (t=20 °С) — рН=7, рН=3, рН=2,4; 4,5,6 (t=60 °С) - рН=7, рН=3, рН=2,4; 7,8,9 (t=90 °С) - рН=7, рН=3, рН=2,4

Проведено исследование теплопроводности и теплоемкости древесины в высоковлажном состоянии при насыщенном состоянии жидкости, содержащейся в материале.

~ . • Г ; тпг

і г '—' * ПТпГ? ÜUZ

14., f ""•"ЧЧ

-■-■■i—i**- i •r

J¿ü..........i........................= ____i.„

* i 1 г .i

.........i.....'. ....!........I...... !.....:.

|.......T...................,..........rj,

s 5I3J -1 - ....... ■ ■ M>t.....' ; ... ¡¿.-¡:"'; ! j...-' 1-.-Г- ..... Л-'-Г .....:........'--i—-!--

Рис. 6 - Коэффициент теплопроводности

древесины сосны при различной влажности: 1 - 130%, 2 - 100%, 3 - 70%

Рис. 7 — Теплоемкость древесины сосны при различной влажности: 1 — 130%, 2 — 100%

Как видно из рисунков 6 и 7, увеличение температуры и влажности материала способствует увеличению его теплопроводности и теплоемкости. Снижение теплопроводности после 200 °С объясняется снижением теплопроводности жидкости, содержащейся в древесине в перегретом состоянии. Такие зависимости

характерны для всех анализируемых пород древесины.

С помощью данных, полученных при исследовании убыли массы гемицеллюлоз (рисунок 8), были построены зависимости константы скорости гидролиза гемицеллюлоз от температуры обработки и кислотности среды (рисунок 9) и получены эмпирические уравнения.

Рис. 8 - Кинетика гидролиза гемицеллюлоз в среде с рН=2,4: 1,2 (30 °С) - сосна, осина; 3,4 (60 °С) - сосна, осина; 5,6,7 (90 °С) - сосна, теоретическая кривая (сосна), осина

Рис. 9 - Константа скорости гидролиза

гемицеллюлоз: 1 - осина, рН=2,4; 2 -сосна, рН=2,4; 3 - осина, рН=3; 4 - сосна, рН=3; 5 - осина, рН=7; 6 - сосна, рН=7

По графикам видно, что с увеличением температуры и кислотности среды скорость гидролиза увеличивается, особенно у древесины осины, поскольку в ней содержится больше легкогидролизуемых полисахаридов гемицеллюлоз.

Анализ твердых продуктов обработки показал тенденцию снижения количества остаточных гемицеллюлоз и лигнина в древесине любой породы при повышении температуры обработки (рис. 10). Содержание целлюлозы практически неизменно, а количество экстрактивных веществ несущественно снижается.

...................у......^ 'О.тьи -.V'JJÎ-' ' W'ÏÎJ'* ^.г?«

; j

ïè У"' SJl't ЛМв

! : І j

Рис. 10 - Компонентный состав твердых продуктов древесины ели после паровзрывной обработки

Рис. 11 - Выход Сахаров в зависимости от температуры паровзрывной обработки

Характер деструкции лигноуглеводного комплекса можно оценить, зная количество образовавшихся в процессе водорастворимых веществ и их состав. На рисунке 11 представлен выход Сахаров в гидролизат (общее количество) для

различных пород древесины. В общем случае закономерности выхода Сахаров при паровзрывной обработке типичны для всех пород: с увеличением температуры выход увеличивается. Следует отметить, что после температуры 220 °С, количество Сахаров начинает снижаться. Это объясняется тем, что при дальнейшем увеличении температуры происходят процессы распада Сахаров с образованием фурфурола.

Проведенные экспериментальные исследования по изменению предела прочности древесины при растяжении поперек волокон (рисунок 12) показали, что для всех пород древесины характерно существенное снижение предела прочности с увеличением температуры и начальной влажности образцов.

Рис. 14 - Предел прочности ели при Рис. 15 - Предел прочности березы при

растяжении поперек волокон растяжении поперек волокон

Рис. 12 - Предел прочности сосны при растяжении поперек волокон

Рис. 13 - Предел прочности осины при растяжении поперек волокон

Это объясняется ослаблением поперечных связей в результате гидролитической деструкции гемицеллюлоз и перехода части лигнина в низкомолекулярное состояние. Предел прочности древесины хвойных пород ниже предела прочности древесины лиственных пород при равных условиях. По полученным данным были определены эмпирические зависимости для четырех основополагающих пород древесины.

Были проведены экспериментальные исследования по изучению фракционного состава получаемого материала, определения среднего размера получающейся частицы и образующейся удельной поверхности материала.

По графику на рисунках 16 и 17 можно судить о влиянии температуры

обработки (следовательно, и предела прочности материала перед разрушением) на средний размер получаемой частицы и среднюю удельную поверхность материала. Скорость декомпрессии, то есть условие образования перепада давления (растягивающей силы) играет также важную роль в образовании новой удельной поверхности.

{\

N.. __________;__________х %

: С? 1

Рис. 16 — Влияние температуры обработки и времени декомпрессии на конечный средний размер частиц: 1 — 1,4 сек; 2-1 сек; 3 - 0,6 сек; 4 - 0,2 сек

Рис. 17 - Влияние величины перепада давления и времени декомпрессии на удельную поверхность

Как видно из рисунков 16 и 17, с уменьшением времени декомпрессии конечный размер частицы после разрыва стремительно уменьшается, и, следовательно, увеличивается удельная поверхность материала. Это объясняется тем, что, увеличивая скорость открытия клапана, увеличивается количество центров парообразования внутри частицы и, следовательно, актов силового возмущения на ослабленные "поперечные связи внутри материала. Перепад давления обеспечивает высвобождение накопившейся потенциальной энергии перегретой жидкости, следовательно, характеризует силу разрыва.

Рис. 18 - Выход Сахаров (в % от а.с.д.) при обработке экстрагентом этанол-вода при I 20, 50, 90 °С в течение 5 и 15 мин

/ 0,05 н

Рис. 19 - Выход низкомолекулярного лигнина (в % от а.с. д.) при обработке раствором ЫаОН

Поскольку после паровзрывной обработки удельная поверхность материала значительно увеличивается, представляет интерес выделения из обработанной

древесины сахаросодержащих продуктов и низкомолекулярного лигнина с конечным остатком в виде технической целлюлозы. По результатам экспериментальных исследований (рисунки 18, 19) выявлено, что оптимальным реагентом для выделения из обработанной древесины Сахаров и остаточных экстрактивных веществ является система этанол-вода с температурой 90°С. Оптимальные условия для выделения лигнина: слабый раствор гидроксида натрия концентрацией 0,1 н (0,4-2%), с температурой 20-25°С.

Для сравнения исходной частицы до и после паровзрывной обработки, а также после экстракции примесей представлены микрофотографии на рис. 20.

а б в

Рис. 20-Древесная частица: а) до обработки; б) после паровзрывной обработки; в) после экстракции

В четвертой главе приводится инженерная методика расчета опытно-промышленной установки для паровзрывной обработки древесных отходов, разработанная на основе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования, и внедренная на ООО «НТЦ «Альтернативная энергетика» (г. Казань). Представлена конструкция и описание спроектированной и изготовленной опытно-промышленной установки для паровзрывной обработки древесных отходов, новизна которой подтверждена патентом РФ № 2464367. Установка внедрена на ООО «Органика» (г. Казань) и предназначена для выработки технической целлюлозы и волокнистого полуфабриката - базового компонента для теплоизоляционных материалов на основе пенобетона и пенополиуретана. Схема и внешний вид опытно-промышленной установки для паровзрывной обработки древесных отходов представлены на рисунках 21 и 22.

Рис. 22 — Внешний вид опытно-промышленной установки

Рис. 21 - Схема опытно-промышленной установки

1Ь

Установка состоит из парогенератора 1, реактора 2, вакуумного насоса 3, выдувного резервуара 4, массонасоса 5 и экстрактора 6. Выдувной резервуар устроен по принципу циклона-конденсатора й сообщен в нижней части с емкостью 17 для приема охлажденной древесной массы. Все сигналы датчиков обрабатываются с помощью АЦП и отображаются на пульте управления.

Внедрение предлагаемой установки для паровзрывной обработки древесных отходов показало возможность повышения эффективности переработки, а также расширить номенклатуру выпускаемой продукции предприятия.

Также в четвертой главе проведены дополнительные исследования получаемого продукта, предложены перспективные направления его применения, дан анализ эффективности результатов разработки.

Проведенный технико-экономический анализ показал высокую эффективность применения разработанного метода в условиях деревообрабатывающих и деревоперерабатывающих предприятий, имеющих большие количества древесных отходов.

В приложении к работе приведены: результаты статистической обработки экспериментальных данных, программа расчета технологического процесса, конструкторский расчет узлов установки, расчет установки на надежность, отчет о маркетинговом исследовании, освещены вопросы безопасности, а также представлены акты внедрения, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятиями.

Основные результаты и выводы

1. Проведен анализ современного состояния технологий и техники паровзрывной обработки древесных ' отходов, оценена возможность использования данного процесса в области получения порошковых и целлюлозных волокнистых полуфабрикатов, а также в условиях комплексов по химической переработке древесины как предварительной стадии активации древесного сырья.

2. Разработана математическая модель процесса паровзрывной обработки древесных отходов с предварительной пропиткой.

3. Разработаны экспериментальные стенды и методика проведения экспериментальных исследований.

4. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований определен характер влияния породы сырья, его влажности, температуры и кислотности среды при пропитке, температуры и давления при гидротермической обработке, времени обработки, скорости декомпрессии, а также вида, концентрации, температуры и расхода экстрагента на физико-химические свойства получаемого продукта.

5. Выявлены рациональные режимные параметры процесса для трех направлений использования данного метода (при общих параметрах пропитки:

температура - от 90 до 100 °С, кислотность среды - 2,4 рН):

1) Для предварительной обработки древесного сырья: фракционный состав сырья - щепа; перед крафт-процессом - параметры по п.1; перед гидролизом: порода - осина, температура пара - от 160 до 180 °С, давление - от 0,7 до 1,1 МПа, время выдержки при заданной температуре —от 3 до 5 минут, время

декомпрессии — 0,2 с.

2) Для получения высокодисперсного волокнистого полуфабриката: порода - ель, сосна; температура пара - от 250 °С, давление - от 3,5 МПа, время выдержки при заданной температуре - от 10 минут, время декомпрессии - от 0,05 до 0,2 с.

3) Для получения технической целлюлозы: порода - ель, сосна; фракционный состав сырья - опилки, стружка; температура пара - от 210 до 230 °С, время выдержки при заданной температуре - 10 минут, давление - от 2,2 до 2,9 МПа, время декомпрессии - 0,2 с; экстрагент редуцирующих веществ - раствор этанол-вода с температурой 90 °С, экстрагент низкомолекулярного лигнина -гидроксид натрия от 0,4 до 2% с температурой 20 °С.

6. По результатам исследований разработана инженерная методика расчета технологического оборудования, программа расчета, опытно-промышленная установка для паровзрывной обработки древесных отходов, предназначенная для выработки технической целлюлозы и волокнистого полуфабриката, новизна которой подтверждена патентами РФ.

7. Проведенный технико-экономический анализ разработанной установки показал, что экономический эффект от ее применения при утилизации отходов деревообработки ' в теплоизоляционный материал на основе лигноцеллюлозы составляет 105,4 млн. руб./год, при переработке в прессованные лигноцеллюлозные плиты средней плотности - 58,07 млн. руб./год. Анализ проведен на примере утилизации отходов на базе ЗАОр (НП) «ПФМК», г. Зеленодольск.

Основные обозначения: ш - масса, кг; т - время, с; ц - динамическая вязкость, Пас; I - температура, °С; и - влагосодержание кг/кг; кт - коэффициент массопроводностн, м2/(с-%); р - давление, МПа; (2 - производительность, м /ч; р -плотность, кг/м3; Я - газовая постоянная; Т - абсолютная температура, К; М -молярная масса, г/моль; V - объем, м3; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/( м -К); с1 - диаметр, мм; Н - высота, м; гс - удельная теплота парообразования, Дж/кг; Л -коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Ь - длина поверхности, м; ах -коэффициент температуропроводности, м2/с; } - поток, кг/(м2х); х - координата; Схгмц - остаточное содержание гемицеллюлоз, %; С0гмц - начальное содержание гемицеллюлоз, %; кг - константа скорости гидролиза, мин'1; Схлиг - остаточное содержание лигнина, %; к2 - коэффициент, характеризующий скорость деструкции лигнина; Сад,,,.- начальное содержание лигнина, %; Б* - сечение клапана, мм2; ? -

суммарный коэффициент гидравлических сопротивлений; Fpa3p. - сила разрыва, Н; Е - модуль упругости, МПа; V, - объем пара после расширения, м3; стр - предел прочности при растяжении поперек волокон, МПа;а„- средняя ширина частицы, мм; П - пористость; А уд - удельная поверхность, м2/г.

Индексы: ж - жидкость; п - пар; пг - парогенератор; в - вода; р - реактор; мат - материал; к - конденсат; сл - слой; нач - начальный; вых - выход; кон -конечный; атм - атмосферный; ч - частица; дек - декомпрессия; ср - средний; Одр — древесина в абсолютно сухом состоянии, пов - поверхность.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Зиатдинова, Д.Ф. Комплексная переработка древесных отходов паровзрывным методом в аппарате высокого давления [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Д Б. Просвирников, Р.Г. Сафин, Е.И. Байгильдеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2011.-№ 2.-С. 124- 131.

2. Зиатдинова, Д.Ф. Разработка опытно-промышленной установки для разделения лигноцеллюлозного материала на компоненты методом высокотемпературного парового гидролиза [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. - 2011 -№ 12. -С. 93-101.

3. Зиатдинова, Д.Ф. Исследование влияния высокотемпературной обработки на свойства продуктов, полученных методом паровзрывного гидролиза лигноцеллюлозного материала [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 12.-С. 58-66.

4. Зиатдинова, Д.Ф. Извлечение примесей из древесно-волокнистой массы, полученной при обработке лигноцеллюлозного материала высокотемпературным паровзрывным автогидролизом [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 12.-С. 70-77.

Патенты:

6. Патент РФ № 2143044, МПК D21B 1/00, D21B 1/12. Реактор для непрерывного автогидролиза / Сафин Р. Г., Зиатдинова Д. Ф., Просвирников Д. Б. и др.

7. Патент РФ № 2425917, МПК D21C 3/02, D21C 11/06, B01D 53/48, B01D 53/52. Способ получения сульфатной целлюлозы / Сафин P.P., Сафин Р.Г., Просвирников Д.Б. и др.

8. Патент РФ № 2437972, МПК D21C 3/02, D21C 3/26, D21C 11/00, D21C 11/04, D21C 11/06. Способ получения сульфатной целлюлозы / Сафин P.P., Сафин Р.Г., Просвирников Д.Б. и др.

9. Патент РФ №2464367, МПК D21B 1/36 Установка для получения

технической целлюлозы взрывным методом / Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Г., Просвирников Д.Б. и др.

Труды в прочих изданиях:

10. Сафин, P.P. Математическое моделирование процесса автогидролиза древесины / Р.Г. Сафин, P.P. Сафин, ЕЛО. Разумов, Д.Б. Просвирников // Материалы 23-й международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ - 23». - Белгород, 2010. -С. 66- 67.

11. Зиатдинова, Д.Ф. Получение целлюлозы путем автогидролиза / Д.Ф. Зиатдинова, Д.Б. Просвирников, H.A. Кузьмин // Леса России в 21 веке: Материалы четвертой международной научно-практической интернет-конференции. Июль 2010г. - Санкт-Петербург, 2010. - С. 153 - 157.

12. Гайнуллина, Д.Ш. Технология переработки древесины методом паровзрывного автогидролиза / Д.Ш. Гайнуллина, Д.Б. Просвирников // Материалы пятой Российской студенческой научно-технической конференции "Вакуумная техника и технология". - Казань, 2011. - С. 98.

13. Зиатдинова, Д.Ф. Технология производства теплоизоляционных материалов с применением полимерных композитов / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Б. Просвирников, В.В. Степанов, P.P. Зиатдинов // Тезисы докладов XIV Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2012». - Москва, 2012. - С. 421.

14. Салдаев, В.А. Конструкция гидрозатвора в реакторе для паровзрывной обработки лигноцеллюлозного материала / В.А. Салдаев, Д.Б. Просвирников // Материалы 3-й Всероссийской студенческой научно - технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». — Казань, 2012. - С.96-97.

15. Просвирников, Д.Б. Особенности переработки древесных материалов методом паровзрывного автогидролиза и технологические пути использования получаемого лигноцеллюлозного продукта / Д.Б. Просвирников, В.А. Салдаев // Деревообрабатывающая промышленность, изд. № 4. - 2012. - С. 8 — 13.

Формат 60x84/16 Тираж 100. Подписано к печати 28.10.2013г.

Печать офсетная. Усл.п.л. 1,00. Заказ 223.

Издательство КГАУ/420015 г.Казаиь, ул.К.М»ркса, д.65 Лицензия на издательскую деятельность код 221 ИД №06342 от28.11.2001 г. Отпечатано в типографии КГАУ 420015 г.Каэань, ул.К.Маркса, д.65. Казанский государственный «парной университет

Казанский национальный исследовательский технологический университет

На правах рукописи

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ

ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители -

доктор технических наук, профессор

САФИН Р.Г. кандидат технических наук, доцент ЗИАТДИНОВА Д.Ф.

Казань-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ

ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ 13

1.1. Виды древесных отходов, анатомическое строение и химический

состав древесины. 14

1.2. Методы химического разложения древесины на компоненты. 23

1.3. Современное состояние техники и технологии паровзрывного метода разложения древесины на компоненты. 28

1.4. Основные подходы к математическому моделированию процессов и явлений, происходящих при паровзрывной обработке лигноцеллюлозного материала. 37 ВЫВОДЫ 51 ГЛАВА И. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПРОПИТКОЙ 53

2.1. Физическая картина процессов и явлений, происходящих при паровзрывной обработке древесных отходов с предварительной пропиткой. 53

2.2. Формализация процесса высокотемпературной паровзрывной обработки древесных отходов. 59

2.3. Математическое описание процессов и явлений, происходящих при паровзрывной обработке древесных отходов. 61

2.3.1. Стадия пропитки 61

2.3.2. Стадия гидротермической обработки материала. 64

2.3.3. Стадия сброса давления. 71

2.4. Алгоритм расчета процесса паровзрывной обработки древесных отходов. 75

ВЫВОДЫ 79

ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПРОПИТКОЙ 80

3.1. Описание экспериментальных установок для исследования процесса паровзрывной обработки древесных отходов. 80

3.1.1. Экспериментальная установка для исследования процесса высокотемпературной паровой обработки измельченного древесного сырья. 81

3.1.2. Экспериментальная установка для исследования процесса пропаривания образцов древесины различных пород. 85

3.1.3. Стандартное оборудование для проведения экспериментальных исследований. 87

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований. 90

3.3. Анализ результатов математического моделирования и экспериментальных исследований. 100 ВЫВОДЫ 127 ГЛАВА IV. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ 129

4.1. Области использования результатов математического моделирования и экспериментальных исследований в промышленности. 129

4.2. Инженерная методика расчета аппаратурного оформления для проведения процесса паровзрывной обработки древесных отходов. 130

4.3. Опытно-промышленная установка для паровзрывной обработки древесных отходов. 136

4.4. Анализ результатов испытания опытно-промышленной установки. 142

4.5. Технико - экономическое обоснование внедрения промышленной установки. 145

3

ВЫВОДЫ 148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 150

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 153

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 155

ПРИЛОЖЕНИЯ 174

Приложение 1. Статистическая обработка расчетных и

экспериментальных данных. 175

Приложение 2. Программа расчета процесса

высокотемпературной паровзрывной обработки древесных отходов. 179

Приложение 3. Конструкторский расчет опытно-промышленной

установки для паровзрывной обработки древесных отходов. 185

Приложение 4. Сведения о безопасности изделия и воздействии

его на окружающую среду. 201

АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 208

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение негативного воздействия на окружающую среду обуславливается развитием промышленности, результатом которого является интенсивный рост количества образующихся отходов, особенно органических, которые подвергаются хранению, транспортировке или утилизации. С повышением экологической нагрузки и ужесточением требований к производствам все больше возникает необходимость модернизации, а в некоторых случаях и коренного изменения, областей переработки отходов. Например, в Республике Татарстан и близлежащих районах остро стоит вопрос рациональной переработки древесных отходов, которые образуются на деревообрабатывающих и деревоперерабатывающих предприятиях.

Учитывая низкий уровень технологий переработки древесины, не все виды отходов могут быть задействованы в производстве. В то же время на фоне колебаний экономических условий и повышающихся требований к производствам выявляется новая сырьевая база промышленности, потенциальный участник совершенно новых высокотехнологичных процессов - древесные отходы - вторичное сырье, обладающее высоким энергетическим потенциалом.

Актуальность темы. Проблема утилизации древесных отходов, образование значительного объема которых в лесозаготовительной и деревообрабатывающей отраслях обуславливается нерациональным использованием древесного сырья на предприятиях соответствующего профиля, является весьма актуальной.

Традиционные технологии химической переработки древесины, а в частности и древесных отходов, являются устаревшими и характеризуются высоким износом технологического оборудования, имеют относительно низкую производительность по сравнению с

зарубежными конкурентами, что в совокупности отрицательно влияет на устойчивое позиционирование отечественных технологий на мировом рынке лесохимической промышленности.

Древесина, обладая уникальными теплофизическими свойствами, а также строением и компонентным составом, является органическим сырьем, при температурном воздействии на которое без применения химических реагентов возможно получить как ценнейшие химические продукты, так и полуфабрикаты - чистые компоненты древесины. Такой грамотный подход к использованию данного сырья является весьма эффективным и экологически привлекательным, на основе чего возможно разрабатывать новые технологии и оборудование для переработки древесины.

Одним из путей практического применения данного подхода является организация экологически чистого процесса высокотемпературной паровзрывной обработки, позволяющего помимо утилизации древесных отходов получить доступное энергосырье -техническую целлюлозу, сахара и лигнин практически в чистом виде, пригодном для дальнейшей переработки в ценные продукты, такие как техническая и порошковая целлюлоза, органическое топливо, сельскохозяйственные корма, волокнистые полуфабрикаты. Процесс паровзрывной обработки может применяться как стадия активации древесного сырья перед процессами химической переработки.

Процесс паровзрывной обработки включает стадии подготовки материала, гидротермическую обработку насыщенным водяным паром, выдержку под высоким давлением, измельчение путем резкого сброса давления и последующую обработку волокнистого материала.

Следует отметить, что не имеется ясной физико-химической картины явлений, происходящих при данном процессе и отсутствуют работы по математическому моделированию данного многостадийного процесса. Очевидно, эти обстоятельства являются причиной весьма

6

малого количества информации по промышленному применению данного процесса.

Работа выполнялась в рамках НИОКР по государственному контракту с ФСР МФП НТС № 8361р/10244 по теме «Разработка, создание и освоение новых технологий в различных отраслях народного хозяйства», а также в рамках реализации Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 гг.» в ходе выполнения государственного контракта № 16.525.11.5008 по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала».

Степень проработанности проблемы. Исследованиями в области химии паровзрывной обработки занимались российские ученые Кузнецов Б.Н., Кузнецова С.А., Левданский В.А.. Исследованиями изменений морфологической структуры обрабатываемого сырья, модификации поверхности волокна при воздействии водяного пара и «взрывной» обработки занимались латвийские ученые Гравитис Я., Тээйяр Р., Каллавус У., Андерсонс Б., Кокоревич А., Эринып П., Веверис Д., исследованиями в области гидротермической обработки древесины занимались Лыков A.B., Непенин Ю.Н., Гурьянов А.И., Сергеев В.В.

В работах ученых США и Канады, таких как Кокта Б., Ахмед А., Мэсон У., а также Сасоки Й. (Китай), Арвидсон М. (Швеция) этот метод предлагался как альтернатива получения химико-механической массы и химико-термо-механической массы, а также рассматривалась возможность получения целлюлозного волокна для получения бумаги и картона. Испанские ученые Гарроте Г., Набарлац Д.А. исследовали данный процесс как путь получения органического жидкого топлива.

Цель работы Состоит в совершенствовании существующих способов паровзрывной обработки древесных отходов, разработке методов расчета и аппаратурном оформлении данного процесса.

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

1. Идентифицирование физической картины процессов, протекающих на всех стадиях паровзрывной обработки древесины.

2. Разработка экспериментального стенда для исследования процесса паровзрывной обработки древесины и проверка адекватности математической модели процесса паровзрывной обработки древесных отходов.

3. Разработка инженерной методики расчета технологического оборудования для проведения процесса.

4. Разработка аппаратурного оформления предлагаемого способа переработки древесных отходов.

5. Экономическая и рыночная оценка предлагаемого способа.

6. Промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Научная новизна. Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную организацию процесса переработки древесных отходов методом паровзрывной обработки:

• разработана математическая модель процесса паровзрывной обработки высоковлажных измельченных древесных отходов;

• по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены рациональные режимные параметры процесса для трех направлений использования данного метода: предварительной обработки древесного сырья перед крафт-процессом и

гидролизом, получения высокодисперсного волокнистого полуфабриката; получения технической целлюлозы;

• установлены зависимости коэффициента массопроводности древесины при пропитке от температуры и кислотности среды;

• выявлены закономерности изменения теплопроводности и теплоемкости древесины в высоковлажном состоянии при температурах, больших 100 °С;

установлены эмпирические зависимости предела прочности при растяжении поперек волокон высоковлажной древесины основополагающих пород при повышенных температурах;

• выявлены зависимости фракционного состава и образующейся удельной поверхности от температуры, давления и времени декомпрессии для лигноцеллюлозного материала, получаемого при паровзрывной обработке;

разработан новый способ переработки древесных отходов паровзрывным методом.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель может быть использована при технологических расчетах процесса переработки древесных отходов паровзрывным методом.

Разработана установка для переработки измельченных древесных отходов паровзрывным методом в целлюлозный волокнистый полуфабрикат; новизна подтверждена патентами на изобретение.

На базе полученных аналитических решений разработана инженерная методика расчета процесса паровзрывной обработки древесных отходов, позволяющая выработать рекомендации по выбору рациональных режимных параметров для интенсификации и снижения себестоимости процесса, а также выявить конструктивные особенности аппаратурного оформления при внедрении процесса в комплексы более высокого порядка.

Разработаны и внедрены в производство новые конструкции оборудования и технологические рекомендации, направленные на получение целевых продуктов с улучшенными качествами.

Реализация работы. Результаты проведенных в работе исследований реализованы при разработке способа переработки древесных отходов, а также при проектировании опытно-промышленного образца установки для переработки древесных отходов, внедренной на ООО «Органика».

На ООО «Научно-технический центр «Альтернативная энергетика» внедрена инженерная методика расчета технологического оборудования для паровзрывной обработки древесных отходов.

Созданные экспериментальные установки для исследования кинетики процесса обработки древесины паровзрывным методом внедрены в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».

Личный вклад автора. Автором была поставлена задача исследования, разработана математическая модель процесса паровзрывной обработки древесных отходов, разработаны экспериментальные установки, проведены экспериментальные исследования и математическое моделирование. Автором был разработан способ переработки древесных отходов паровзрывным методом, разработана инженерная методика расчета технологического оборудования, смонтирована пилотная установка для переработки древесных отходов (Пат. №2464367).

Автор защищает:

1. Способ переработки древесных отходов методом высокотемпературной паровзрывной обработки.

2. Математическую модель процесса паровзрывной обработки древесных отходов.

3. Конструкцию экспериментальных стендов.

4. Результаты экспериментальных исследований и их сравнения с расчетами по математической модели процесса паровзрывной обработки предложенным способом.

5. Технические решения на уровне изобретений установки для переработки древесных отходов методом высокотемпературной паровзрывной обработки.

6. Методику расчета технологического оборудования, схему и конструкцию опытно-промышленной установки.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на международных конференциях «Леса России в 21 веке» (Санкт-Петербург, 2010), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23» (Саратов, 2010), «Наукоемкие химические технологии-2012» (Москва,

2012), «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011), «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, 2012), а также на научных сессиях КГТУ-КНИТУ (Казань, 20010-2013).

Разработанная технология стала победителем следующих конкурсов: «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в Программе инновационных проектов «Идея-1000» (Казань, 2009), соискание именной стипендии мэра г. Казани (Казань, 2011), соискание специальной государственной стипендии Республики Татарстан (Казань,

2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК, 4 патента на изобретение РФ №2413044, №2425917, 2437972, 2464367.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 152 страницах машинописного текста, включающих 72 рисунка и 6 таблиц. Библиографический список включает 203 наименования цитируемых работ российских и зарубежных авторов.

В первой главе рассмотрены виды древесных отходов, как объект для переработки, анатомическое строение древесины, ее химический состав, проанализированы существующие способы химической переработки данного вида сырья, рассмотрены основные подходы к математическому моделированию процесса паровзрывной обработки. Во второй главе приведена физическая картина процесса, математическое описание процесса переработки древесных отходов, блок-схема алгоритма расчета исследуемого способа. В третьей главе даны описания экспериментальных установок, при помощи которых проводились проверка разработанной модели на адекватность и определения рациональных технологических параметров переработки. Приведены результаты математического моделирования процесса с помощью ЭВМ и экспериментальных исследований. Четвертая глава посвящена реализации полученных сведений на опытно-промышленной установке, проведены дополнительные исследования получаемого продукта, предложены перспективные направления его применения, дан анализ эффективности результатов разработки.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

В настоящее время человек научился использовать следующи�