автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии переработки древесных отходов в генераторный газ

На правах рукописи

Саттарова Зульфия Гаптелахатовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ В ГЕНЕРАТОРНЫЙ ГАЗ

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

1 4 АПР /013

Казань - 2013

005057579

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

Научные руководители: Тимербаев Наиль Фарилович,

доктор технических наук, доцент;

Сафин Рушан Гареевич,

доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты: Грунин Юрий Борисович

доктор химических наук, профессор, Поволжский государственный технологический университет, заведующий кафедрой физики;

Таймаров Михаил Александрович доктор технических наук, профессор Казанский государственный энергетический университет, профессор кафедры котельных установок и парогенераторов.

Ведущая организация Филиал ФГУ «Всероссийский научно-

исследовательский институт лесоводства и механизации» «Восточно-европейская опытная станция», г. Казань.

Защита диссертации состоится 26 апреля 2013 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при Казанском 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 26 марта 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета --Е.И. Байгильдеева

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Одной из актуальных проблем современного мира является поиск и нахождение возобновляемых энергетических и сырьевых ресурсов, которые могли бы составить достойную конкуренцию нефти и природному газу, мировые запасы которых медленно уменьшаются, а цены непрерывно растут.

Одним из таких источников можно рассматривать биомассу, основную долю которой составляет древесина. Весомым достоинством древесины как топлива является низкое содержание серы и других вредных примесей в ее составе, а также воспроизводимость данного источника энергии. При правильном подходе к использованию лесных ресурсов мы получаем практически неисчерпаемый энергетический и сырьевой ресурс.

На предприятиях лесопромышленного комплекса ежегодно образуются миллионы тонн древесных отходов. Основным способом их утилизации на сегодняшний день является прямое сжигание с получением тепловой энергии.

Перспективным и более эффективным методом является процесс газификации с получением генераторного газа, который может использоваться как для получения тепловой энергии, так и для производства продуктов химической промышленности. В химической промышленности используется синтез-газ - смесь водорода и окиси углерода, который является основным сырьем в производстве метанола, диметилового эфира, моторного топлива и других химических продуктов.

Проведенные аналитические исследования показали, что генераторный газ, по составу максимально приближенный к синтез-газу, можно получить паровой конверсией древесного угля, которая осуществляется через стадию пиролиза древесных отходов с последующей газификацией полученного древесного угля. Данное направление мало изучено, промышленных установок паровой конверсии древесного угля не существует. В связи с этим изучение процесса паровой конверсии древесного угля и разработка технологии получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с заданием Министерства образования РФ в рамках НИР №0120.0852795 «Исследование процессов высокотемпературного горения органических соединений» а также 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».

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.

В работах Шелдона P.A., Караханова Э.А., Панцхава Е.С., Курбатова Н.И., Кузнецова Б.Н. рассматриваются способы получения и последующего использования синтез-газа для производства продуктов химической промышленности.

Несмотря на большое количество научных работ в области газогенерации следует отметить, что отсутствуют работы по комплексной переработке древесных отходов, направленные на получение генераторного газа требуемого состава для энергетического или сырьевого назначения. Цель работы

Состоит в исследовании процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля, оптимизации режимных параметров в восстановительной зоне с целью получения генераторного газа требуемого состава, разработке методов расчета и аппаратурного оформления процесса газогенерации.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Идентифицировать физическую картину процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля;

2. Разработать алгоритм выбора эффективной технологии переработки древесных отходов;

3. Разработать экспериментальный стенд для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля;

4. На основании результатов физического и математического моделирования выявить влияние параметров процесса на состав образующегося генераторного газа;

5. Разработать методику расчета рабочих элементов опытно-промышленной установки.

Научная новизна.

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную переработку древесных отходов в генераторный газ в зависимости от назначения получаемого газа и характеристик исходного сырья.

Моделированием процесса определен характер влияния температуры, фракционного состава, скорости дутья на состав образующегося генераторного газа.

Установлено, что: для получения тепловой энергии целесообразно проводить прямоточную газификацию с режимными параметрами: интервал рабочей температуры 850-950 "С, оптимальная скорость дутья 6-7,5 м/с, время контактирования в восстановительной зоне 10-20 сек.; для получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов, целесообразно проводить паровую конверсию древесного угля с режимными параметрами:

интервал рабочей температуры 950-1000 °С, оптимальная скорость дутья 6-6,5 м/с, время контактирования с перегретым паром 12-15 сек.

Разработан способ переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями в тепловую энергию.

Разработан способ получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов химической промышленности.

Практическая ценность.

Полученные результаты дают возможность определить оптимальные режимы термической переработки древесных отходов в генераторный газ в зависимости от назначения получаемого газа и свойств исходного сырья. На базе полученных данных разработаны и реализованы опытно-промышленные установки для переработки древесных отходов в генераторный газ, пригодный для производства новых продуктов и для переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями в тепловую энергию.

Разработаны новые высокоэффективные конструкции оборудования и технологические рекомендации, направленные на обеспечение максимальной эффективности процесса прямоточной газификации и паровой конверсии древесного угля.

Реализация работы.

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при проектировании опытно-промышленной установки для переработки древесных отходов в генераторный газ, по составу максимально приближенный к синтез-газу, внедряемой в настоящее время в учебный научно-производственный комплекс ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» г. Казань.

Газогенератор для переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями внедрен в ООО «Органика» г. Казань

Созданный экспериментальный стенд для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля внедрен в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» для подготовки бакалавров по направлению 151000.62 «Технологические машины и оборудование».

Личный вклад автора.

Автором была разработана основная идея диссертации, сформулирована задача исследования. В ходе выполнения работы при непосредственном участии автора изготовлен экспериментальный стенд для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля; проведены экспериментальные исследования, разработаны и реализованы: опытно-промышленная установка переработки древесных отходов в генераторный газ, пригодный для производства новых продуктов; газогенератор для переработки древесных отходов с высокой

влажностью и полимерными включениями (положительное решение по заявке № 2011104940 РФ). Автор подготовил научные публикации по теме диссертации.

Автор защищает:

1. Способ переработки древесных отходов в генераторный газ, пригодный для производства новых продуктов, через стадию получения древесного угля с последующей паровой конверсией;

2. Способ переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями в тепловую энергию;

3. Конструкцию экспериментального стенда для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля;

4. Результаты экспериментального исследования процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора прямоточной газификации древесных отходов и при паровой конверсии древесного угля;

5. Методику расчета и схему опытно-промышленных установок термохимической переработки древесных отходов в генераторный газ требуемого состава.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях КНИТУ (Казань, 2010-2013), 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), на третьей Региональной научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (Казань, 2012).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 1 монография, 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 1 положительное решение о выдаче патента по заявке № 2011104940 РФ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 128 страницах машинописного текста, включающих 48 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список включает 150 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 дан анализ современного состояния процессов получения синтез-газа. Приведена классификация лесосечных отходов и отходов деревообработки как одного из видов биомассы. Рассмотрены методы термохимической переработки древесных отходов и возможность использования этих методов для получения генераторного газа в зависимости от назначения получаемого газа и свойств исходного сырья. Проведенный анализ технологических схем переработки древесных отходов позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время одним из наиболее перспективных методов является технология прямоточного процесса газификации. Теоретическое изучение механизма газификации древесных отходов показало, что основной стадией, влияющей на состав образующегося генераторного газа, является стадия восстановления.

Во второй главе приведена физическая картина процесса газификации, сформулированы основные допущения и приведены результаты теоретических исследований процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов.

Для проработки

восстановительной зоны процесса газификации, она условно поделена на три участка (см. рис. 1). Разделение на участки производится в зависимости от температурных режимов

протекающих химических реакций.

С учетом принятых допущений стадия восстановления для одиночной частицы описывается следующими

уравнениями.

Уравнение сохранения массы угля запишется в виде

I участок

тчто-тс

II участок Т-900-800 С

MW^wniT-

III участок ~ЩЩШЩ%С+Ж=СЯ4+87,4кДж Т-800-700 С

' • -••- »'• » I • 1ИИНШ9М

С+Н20пар=С0+Н2-1]8,8кДж (1)

С+2Нг0=С01+2Н1-75,2кДж (2)

СО+НЮ=СО!+ШН3.6кДж (3)

С+СОг=2СО-162,4фс (4)

(5)

СО+Ш!=СНИНгО+206,2кДж (б)

Ш.ШЛШМ

тк-ташч

Ск V*

Рис. 1. Схематическое изображение восстановительной зоны.

йт „

dr

-т,

•Ik,

(1)

Уравнение сохранения массы вещества для каждого компонента газового потока, запишется в виде

= (2)

ат

Знак « + » для реакций образования СО, Н2, СН4. Знак « - » для реакций убыли С02, Н20.

Уравнение сохранения энергии Для газового потока и угля примут вид

pr-r -cr_r = -СГ, -T„).f + ±(Я, -k, .(CB -C,)) ( 3 )

dr ¡=i

or ¡=1

Для решения системы дифференциальных уравнений (1-4) приняты начальные условия:

, Т =Т i С =С ; шу=шунач (5)

1 ПОП л поп una V * V нвч поп ттип Hau 7

пар пар нач у у нач пар пар нач

и граничные условия (6)

Т =Т ; С. ¡ = С..; ш

УI х = О унач »I х =0 10 У

= m п уО

х = 0

Плотность газового потока определяется по выражению

¡-1

Теплоемкость газового потока рассчитывается по соотношению

г

с = у V -с

г-г / , ; г

(6)

(7)

(8)

¿=1

Коэффициент конвективного теплообмена между газом и углем (а,-) рассчитывается через критерий Нуссельта по формуле, отвечающей течению газов в слое сыпучего материала

а = А-^-Яе0'6 (9)

Скорость гетерогенных реакций рассчитывается по соотношению

к^-АКТ^-О (10)

Величина приведенной константы скорости реакции А,(ТУ) рассчитываются по формуле

1 1 1 ММ

—-I—* =— + •— ( 11 )

а;(Ту) Д к,

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

В третьей главе представлено описание экспериментального стенда и методика проведения экспериментов для изучения процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов при различных режимах древесного угля, приведены результаты экспериментального исследования и математического моделирования процесса.

Экспериментальный стенд, представленный на рис. 2, состоит из системы нагрева и подачи газов и пара 1, бункера загрузки древесного угля 2, реактора 3, шлюзового питателя 4, нагревателя реактора 5, тензометрического датчика 6, фиксирующего изменения массы угля в период эксперимента, золосборника 7, расходомера 8. Регистрация данных со всех датчиков и устройств осуществляется системой сбора и хранения информации, которая состоит из компьютера и

аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и газоанализатора 9. Экспериментальный стенд позволяет исследовать процессы, протекающие в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов при различных режимах конверсии древесного угля. С использованием данной установки были проведены исследования взаимодействия древесного угля с двуокисью углерода и парами воды при различных значениях температуры, размера частиц угля, скорости дутья. Результаты исследований представлены на рис. 3^6.

Рис. 2. Схема и внешний вид экспериментального стенда для исследования процессов протекающих в восстановительной зоне реактора: 1 - система нагрева и подачи газов и пара; 2 - бункер загрузки; 3 -реактор; 4 - шлюзовой питатель; 5 - нагревательный элемент; 6 - теюометрический датчик; 7 - золосборник, 8 - расходомер, 9 -газоанализатор, 10 - парогенератор.

Проведено исследование зависимости выгорания угольной частицы от температуры процесса (см.рис.З) по реакции

С + СОг=2СО

Для изучения влияния скорости дутья на концентрацию газов СО по высоте реактора была проведена серия экспериментов, основные результаты которых представлены на рис. 4. Продувочным газом в данной серии экспериментов является двуокись углерода.

-1: ■■■■*■-■■■■

* 1 rfc >

*

• 6rf=

-1 ufc

--ЭыГс

-" ' ' в u/C ........SWc

Рис. 3 Кинетическая зависимость

Рис.4 Изменение концентрации СО по

выгорания угольной частицы d3KB = 3 мм при высоте слоя в реакторе при крупности угля различных температурах: d3KB = 3 мм и различных скоростях дутья: I

750, 850,950 °С - 1; П - 3; П1 - 6; IV- 8 м/сек

Анализ рис. 3 показывает, что с увеличением температуры процесса значительно возрастает скорость выгорания угольной частицы. Оптимальная температура ведения процесса 850-950 °С.

Анализ рис. 4 показывает существенное влияние скорости дутья на интенсивность восстановления двуокиси углерода. Возрастание скорости дутья приводит к уменьшению пограничного ламинарного слоя вокруг частиц углерода, и увеличению концентрации реагирующих компонентов на поверхности частиц. При увеличении скорости дутья более 7,5 м/с наблюдается спад образования окиси углерода. Это объясняется тем, что при таких скоростях углерод не успевает прореагировать с фильтрационным газом, и происходит проскок непрореагировавшего С02.

- беа кат -W-яиг

Рш-сод.СО

С целью понижения температуры процесса, были проведены исследования каталитической газификации (см. рис. 5). В экспериментах использовался никелевый катализатор. Из рис. 5 видно, что равновесное содержание

СО в каталитической Рис. 5. Равновесные концентрации СО при реакции начинает

различных температурах значительно резко

возрастать при 600 °С, и практически приближается к 1 уже при 780 °С. Равновесное содержание СО в некаталитической газификации имеет более плавный характер роста и возрастает в интервале температур 760-900 °С. Можно сделать вывод, что никель, в качестве катализатора^ позволяет существенно снизить температуру процесса газификации, при которой достигается равновесное содержание СО.

Проведено исследование взаимодействия водяного пара с раскаленным углем по гетерогенным реакциям:

С + Н20 = СО +Н2; С + 2Н20 = С02 + 2Н2 и побочным вторичным реакциям:

С0 + Н20 = С02 + Н2, С02 + С = 2СО Проведены экспериментальные исследования по влиянию температуры процесса паровой конверсии древесного угля на состав получаемого газа (см.

Увеличение температуры процесса

положительно влияет на количество и качество образующегося газа.

Увеличение диаметра

частиц приводит к уменьшению концентрации СО и Н2 по высоте реактора, что объясняется

уменьшением реакционной поверхности слоя.

Концентрация паров воды в слое, при этом, обратно пропорционально

В четвертой главе на основе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования разработан газогенератор для переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями, новизна которого подтверждена положительным решением о выдаче патента по заявке № 2011104940 РФ.

Высокая температура в установке достигается за счет топочного устройства, встроенного внутрь газификатора, и за счет предварительной сушки отходов. Эффективность процесса газогенерации обеспечивается также регулированием высоты подачи накислороженного воздуха в окислительную зону камеры газогенерации и кондуктивным подводом тепла из зоны сжигания генераторного газа в зону газогенерации.

Проведенные исследования показали возможность использования газогенератора для утилизации отходов органического происхождения с полимерными включениями, в частности медицинских отходов категории Б и В. Установка внедрена в ООО «Органика» г. Казань

Для получения генераторного газа, по составу максимально приближенного к синтез-газу, разработана установка переработки древесных отходов в генераторный газ паровой конверсией (рис. 7), состоящая из зон загрузки, сушки, прогрева, пиролиза и паровой конверсии.

Рис. 6 Зависимость реагирования водяного пара с древесным углем и выход Н2, СО, С02 от температуры процесса.

возрастает с уменьшением концентраций СО, Н2.

Рис. 7. Схема и внешний вид установки переработки древесных отходов в генераторный газ паровой конверсией: 1-узел загрузки сырья, 2-камера сушки, 3-камера пиролиза, 4- реактор паровой конверсии древесного угля.

Для термохимической переработки древесных отходов в генераторный газ требуемого состава спроектирована и изготовлена опытно-промышленная установка (см. рис. 8), состоящая из 4-х модулей: I - модуль выработки генераторного газа; II - модуль очистки генераторного газа; III - модуль сепарации влаги; IV - модуль электролиза.

Рис. 8. Схема установки переработки древесинных отходов в генераторный газ требуемого состава: 1- парогенератор, 2- мотор-редуктор, 3- газогенератор, 4- циклон, 5-фильтр, 6- теплообменник, 7- газодувка, 8- осушитель, 9- ресивер, 10- электролизер.

На рис. 9 представлен внешний вид установки получения генераторного газа требуемого состава.

Рис. 9. Установка получения генераторного газа требуемого состава: 1- бункер загрузки сырья; 2- шнек; 3- газогенератор; 4- циклон; 5- фильтр тонкой очистки; 6-

теилообменник.

Разработана методика инженерного и конструкторского расчета всех узлов установки. Разработанные установки приняты к внедрению на ООО «НТЦ Альтернативная энергетика» г. Казань.

Проведенный технико-экономический анализ разработанных установок показал, что экономический эффект от их применения для утилизации отходов деревообработки составляет свыше 1,5 млн руб.

В приложении к работе приведены инженерный и конструкторский расчет всех узлов установки, протоколы испытаний, акты внедрения, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятиями.

Основные результаты и выводы

1. Проведен анализ современного состояния технологий и техники получения синтез-газа и возможность использования газификации древесных отходов для получения генераторного газа, пригодного для производства новых продуктов, рассмотрена физическая картина процесса и сформулированы основные допущения процесса.

2. Разработан экспериментальный стенд и методика проведения экспериментальных исследований.

3. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований определен характер влияния температуры процесса, времени соприкосновения, скорости дутья газа через слой угля на состав генераторного газа.

Для получения тепловой энергии целесообразно проводить прямоточную газификацию с режимными параметрами: интервал рабочей температуры 850-950 °С, оптимальная скорость дутья 6-7,5 м/с, время контактирования в восстановительной зоне 10-20 сек.; для получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов, целесообразно проводить паровую конверсию древесного угля с режимными параметрами: интервал рабочей температуры 9501000 "С, оптимальная скорость дутья 6-6,5 м/с, время контактирования с

перегретым паром 12-15 сек.

5. По результатам исследований разработана опытно-промышленная установка термохимической переработки древесины и получения генераторного газа, пригодного для производства новых продуктов.

6. Предложен новый газогенератор для древесных отходов с высокой влажностью и полимерными включениями, новизна которого подтверждена положительным решением о выдаче патента РФ.

Основные обозначения: Т - температура, К; с - теплоёмкость, Дж/(кг К); р - плотность, кг/м3; Я. - коэффициент теплопроводности, ВтДЧгК); я

- удельная тепловая энергия, Дж/кг; а - коэффициент теплоотдачи, ВтДм^К); Т

- удельная поверхность, м2/м3; т - масса вещества в единице объема (кг/м ); к -константа скорости химической реакции, с1; С - концентрация вещества, моль/м3; 1 - компонент (вещество), Яе - критерий Рейнольдса, т - время, с; «1 -диаметр, м; М - молекулярный вес, моль; V - объемная доля компонента, %; р-коэффициент массоотдачи, А'(Т) - приведенная константа скорости реакции (м/с); А - величина, зависящая от порозности слоя.

Индексы: у - уголь; г-г - генераторный газ; нач - начальное; ея -

эквивалентный.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монография:

1. Тимербаев, Н.Ф Техника и технология термической переработки отходов деревообрабатывающей промышленности: монография / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Сатарова // Министерство образования и науки РФ, Казанский государственный технологический университет. - Казань: КГТУ, 2010.-172 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

2. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов деревопереработки, содержащих токсичные вещества [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Сатарова // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 4. -С. 79-83.

3. Тимербаев, Н.Ф. Исследование восстановительной зоны процесса газификации древесных отходов [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Сатарова, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. -2011. -№ 8. - С. 90-96.

4. Гильфанов, К.Х. Исследование гетерогенных химических реакций, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов [Текст] / К.Х. Гильфанов, Н.Ф. Тимербаев, З.Г. Саттарова, М.В. Хузеев // Известия высших учебных заведений «Проблемы энергетики». - 2012. - № 5-6. - С. 25-29.

5. Сафин, Р.Г. Разработка технологии получения моторного топлива из отходов деревообработки [Текст] / Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, З.Г. Саттарова, Т.Х. Галеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 11.-С. 205-207.

Патент:

6. Положительное решение по заявке № 2011104940 РФ, МПК F23G5/027. Высокотемпературная установка для термической переработки твердых медицинских отходов/ Тимербаев Н. Ф., Зиатдинова Д. Ф., Сафин Р. Г., Сафин Р. Р., Воронин А. Е., Садртдинов А. Р., Саттарова 3. Г. Заявитель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр Альтернативная энергетика".- №2011104940; заявл. 10.02.2011

Труды в прочих изданиях:

7. Садртдинов, А.Р. Получение древесного угля и жидких продуктов [Текст] / А.Р. Садртдинов, И.И. Хуснуллин, З.Г. Саттарова // Деревообрабатывающая промышленность. — 2012. - № 1. — С. 4-6

8. Тимербаев, Н.Ф Исследование процесса газификации композиционных материалов на основе древесины [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, И.А. Кузьмин, З.Г. Саттарова // Материалы научной сессии Казанского государственного технологического университета. - Казань, 2010. - С. 283.

9. Тимербаев, Н.Ф. Математическое описание предварительной сушки твердых медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова // Материалы четвертой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011», г. Москва, 2011. - С. 196-199.

10. Садртдинов, А.Р. Оптимизация работы котельных установок работающих на древесных отходах [Текст] / А.Р. Садртдинов, Н.Ф. Тимербаев, З.Г. Саттарова, P.P. Закиров // Материалы научной сессии Казанского государственного технологического университета. - Казань, 2011.-С.327.

11. Садртдинов, А.Р. Установка для термической переработки твердых отходов [Текст] / А.Р. Садртдинов, Н.Ф. Тимербаев, З.Г. Саттарова // Материалы научной сессии Казанского государственного технологического университета. -Казань, 2011.-С. 334.

12. Саттарова, З.Г. Установка для исследования восстановительной зоны процесса газификации древесных отходов [Текст] / З.Г. Саттарова, И.И. Хуснуллин, А.Р. Хисамеева // Материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты», г. Казань, 2012. - С. 321-324.

13. Сатарова, З.Г. Очистка пиролизных газов от золы [Текст] / З.Г. Сатгарова, JI.M. Исмагилова // Материалы третьей Всероссийской научно-технической конференции « Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», г. Казань, 2012. - С. 177-179.

14. Сатгарова, З.Г. Оптимизация процессов протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов [Текст] / З.Г. Сатгарова, Н.Ф. Тимербаев II Материалы научной сессии Казанского национального исследовательского технологического университета. - Казань, 2012.-С. 343.

15. Саттарова, З.Г. Переработка древесных отходов в синтез-газ [Текст] / З.Г. Сатгарова, Л.М. Исмагилова // Материалы третьей Региональной научно-технической конференции « Интеллектуальный потенциал XXI века: Ступени познания», г. Казань, 2012. - С. 47-50.

16. Сатгарова, З.Г. Методика расчета установки исследования термохимической переработки древесины и получения синтез-газа [Текст] / З.Г. Сатгарова // Материалы научной сессии Казанского национального исследовательского технологического университета. — Казань, 2013. - С. 343.

Формат 60x84/16 Тираж /еб, Подписано к печати 03. £3г

Печать офсетная. Усл.пл. /,80 Заказ т-

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

Казанский национальный исследовательский технологический

университет

На правах рукописи

САТТАРОВА ЗУЛЬФИЯ ГАПТЕЛАХАТОВНА

I

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ В ГЕНЕРАТОРНЫЙ ГАЗ

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

I Диссертация на соискание ученой степени

^ кандидата технических наук

ю I

О '

^ Научные руководители:

|А 2

"¡V 0 д-р. техн. наук., доцент

" СМ Н.Ф. ТИМЕРБАЕВ

СО

О о

д-р. техн. наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ ° Р.Г. САФИН

Казань -2013

Содержание

Введение............................................................................................................................4

ГЛАВА 1 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА ПУТЕМ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ УГЛЯ..................10

1.1 Древесные отходы. Виды. Классификация, свойства... 10

1.2 Синтез-газ как продукт и способы его получения............17

1.3 Теоретические основы процесса получения генераторного газа из древесины....................................................................................27

1.4 Аппаратурное оформление процесса получения генераторного газа из древесных отходов............................................................40

Выводы..............................................................................................................................45

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА....................................................................................................................................47

2.1 Физическая картина паровой конверсии древесного

угля............................................................................................................................................................47

2.2 Формализация процесса............................................................................52

2.3 Математическое описание восстановительной зоны реактора газификации древесных отходов............................................................54

2.4 Алгоритм расчета восстановительной зоны реактора прямоточной газификации....................................................................................................59

Выводы................................................................................................................................63

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ЗОНЕ РЕАКТОРА ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ И ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ..........................................64

3.1 Описание экспериментальной установки исследования процессов протекающих в восстановительной зоны реактора газификации древесных отходов..............................................65

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований на установке для исследования процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации... 70

3.3 Анализ результатов экспериментальных данных................73

Выводы................................................................................................................................87

Глава 4. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ, С ПОЛУЧЕНИЕМ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА ТРЕБУЕМОГО СОСТАВА..........................................................................................................................................88

4.1 Схема опытно-промышленной установки................................88

4.2 Инженерный и конструкторский расчет установки.... 99

4.3 Анализ экономической эффективности......................................126

Выводы..............................................................................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................129

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ....................................................................131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................147

Приложение 1 Материальный баланс процесса

газификации......................................................................................................................................148

Приложение 2 Технико-технологические и тепловые расчеты основного и вспомогательного оборудования опытно-

промышленной установки получения генераторного газа......................156

Приложение 3 Конструкторские и прочностные расчеты опытно-промышленной установки получения генераторного газа 173

Приложение 4 Расчет показателей технологичности

конструкторских изделий......................................................................................................196

Приложение 5 Акты внедрения................... ..............................225

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Одной из актуальных проблем современного мира является поиск возобновляемых источников энергии, которые могли бы составить достойную конкуренцию нефтяному топливу и природному газу, мировые запасы которых постепенно истощаются, а цены непрерывно растут.

Одним из таких источников можно рассматривать биомассу. Основную долю биомассы как топлива составляет древесина, весомым достоинством которой является низкое содержание серы и других вредных примесей в ее составе, а также воспроизводимость данного источника энергии. При правильном подходе к использованию лесных ресурсов мы получаем практически неисчерпаемый энергетический ресурс. На сегодняшний день биомасса - это четвертое по значению топливо в мире. Она обеспечивает до 15 % общемирового производства энергии и является самым динамично развивающимся сектором энергетики стран ЕС, США и Канады.

На предприятиях лесопромышленного комплекса ежегодно образуются миллионы тонн древесных отходов. Основной способ их утилизации на сегодняшний день - прямое сжигание с получением тепловой энергии. Перспективен и более эффективен метод газификации с получением генераторного газа, который может использоваться как для получения тепловой энергии, так и для производства продуктов химической промышленности. В химической промышленности используется синтез-газ — смесь водорода и окиси углерода - который является основным сырьем в производстве метанола, диметилового эфира, моторного топлива и других химических продуктов.

Проведенные аналитические исследования показали, что генераторный газ, по составу максимально приближенный к синтез-газу, можно получить паровой конверсией древесного угля, осуществляемой через стадию пиролиза древесных отходов с последующей газификацией

полученного древесного угля. Данное направление мало изучено, промышленных установок паровой конверсии древесного угля не существует. В связи с этим изучение процесса паровой конверсии древесного угля и разработка технологии получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов, 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».

Степень проработанности проблемы

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

В работах P.A. Шелдона, Э.А. Караханова, Е.С. Панцхава, Н.И. Курбатова, Б.Н. Кузнецова рассматриваются способы получения и последующего использования синтез-газа для производства продуктов химической промышленности.

Несмотря на большое количество научных работ в области газогенерации, обращает на себя внимание факт отсутствия работ по комплексной переработке древесных отходов, направленных на получение генераторного газа требуемого состава для энергетического или сырьевого назначения.

Цель работы

Состоит в исследовании процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля, оптимизации режимных параметров в

восстановительной зоне с целью получения генераторного газа требуемого состава, в разработке методов расчета и аппаратурного оформления процесса газогенерации.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Идентифицировать физическую картину процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля.

2. Разработать алгоритм выбора эффективной технологии переработки древесных отходов.

3. Разработать экспериментальный стенд для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля.

4. На основании результатов физического и математического моделирования выявить влияние параметров процесса на состав образующегося генераторного газа.

5. Разработать методику расчета рабочих элементов опытно-промышленной установки.

Научная новизна

Работа содержит научно обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную переработку древесных отходов в генераторный газ, в зависимости от назначения получаемого газа и характеристик исходного сырья.

Моделированием процесса определен характер влияния температуры, фракционного состава, скорости дутья на состав образующегося генераторного газа.

Установлено: что для получения тепловой энергии целесообразно проводить прямоточную газификацию с режимными параметрами: интервал рабочей температуры 850-950 °С, оптимальная скорость дутья 6-7,5 м/с,

время контактирования в восстановительной зоне 10-20 е.; для получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов, целесообразно проводить паровую конверсию древесного угля с режимными параметрами: интервал рабочей температуры 950-1000 °С, оптимальная скорость дутья 66,5 м/с, время контактирования с перегретым паром 12-15 с.

Разработан способ переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями в тепловую энергию, а также способ получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов химической промышленности.

Практическая ценность

Полученные результаты дают возможность определить оптимальные режимы термической переработки древесных отходов в генераторный газ в зависимости от назначения получаемого газа и свойств исходного сырья. На базе полученных данных разработаны и реализованы опытно-промышленные установки для переработки древесных отходов в генераторный газ, пригодный для производства новых продуктов и для переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями в тепловую энергию. Разработаны новые высокоэффективные конструкции оборудования и технологические рекомендации, направленные на обеспечение максимальной эффективности процесса прямоточной газификации и паровой конверсии древесного угля.

Реализация работы

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при проектировании опытно-промышленной установки для переработки древесных отходов в генераторный газ, по составу максимально приближенный к синтез-газу, внедряемой в настоящее время в учебном научно-производственный комплексе ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (г. Казань). Газогенератор для переработки высоковлажных древесных отходов с

полимерными включениями внедрен в производство на ООО «Органика» (г. Казань).

Созданный экспериментальный стенд для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля внедрен в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» для подготовки бакалавров и магистров по направлениям 151000.62 «Технологические машины и оборудование» и 250.400.68 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» соответственно.

Личный вклад автора

Автором была разработана основная идея диссертации, сформулирована задача исследования. В ходе выполнения работы при непосредственном участии автора изготовлен экспериментальный стенд для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля; проведены экспериментальные исследования, разработаны и реализованы опытно-промышленная установка переработки древесных отходов в генераторный газ, пригодный для производства новых продуктов; газогенератор для переработки древесных отходов с высокой влажностью и полимерными включениями (положительное решение по заявке № 2011104940 РФ). Подготовлены научные публикации по теме диссертации.

Автор защищает:

1. Способ переработки древесных отходов в генераторный газ, пригодный для производства новых продуктов, через стадию получения древесного угля с последующей паровой конверсией.

2. Способ переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями в тепловую энергию.

3. Конструкцию экспериментального стенда для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля.

4. Результаты экспериментального исследования процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора прямоточной газификации древесных отходов и при паровой конверсии древесного угля.

5. Методику расчета и схему опытно-промышленных установок термохимической переработки древесных отходов в генераторный газ требуемого состава.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях КНИТУ (Казань, 2010-2013), 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), на Третьей региональной научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (Казань, 2012).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе одна монография, четыре статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и получено одно положительное решение о выдаче патента по заявке №2011104940 РФ.

Глава 1. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА ТРЕБУЕМОГО СОСТАВА ПУТЕМ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

1.1 Древесные отходы: виды, классификация, свойства

Древесные отходы образуются при заготовке, обработке и переработке древесины, а также в результате эксплуатации изделий из дерева.

В зависимости от производства, где образуются древесные отходы, их можно разделить на три вида (рис. 1.1):

1) Отходы лесозаготовок. К ним относятся кустарник, тонкомер, хвоя, листья, ветви, сучья, верхушки деревьев, пни, то есть все, что считается некоммерческой древесиной. Отходы лесозаготовок малотранспортабельны, при энергетическом использовании их предварительно измельчаются в щепу.

2) Отходы деревообработки. Это все виды топлива, для которого дерево или его части являются исходным сырьем без какой-либо химической обработки. К ним относятся: дрова, горбыль, рейки, срезки, короткомер, стружка, опилки, отходы производства технологической щепы, древесная пыль, кора.

3) Отходы целлюлозно-бумажного производства. Это твердые отходы в виде коры и низкосортного волокна.

Древесные отходы широко используются в энергетических целях: для получения тепловой и электрической энергии [11-14, 24, 27, 86]. В качестве сырья древесинные отходы могут использоваться в различных технологиях производства всей гаммы синтетических материалов, получаемых в настоящее время из нефти и газа [17, 18, 53, 54, 76]

Иногда в качестве топлива для получения тепловой энергии используют кору хвойных пород древесины. К ее достоинствам можно

отнести доступность, так как она не является дефицитным материалом, нашедшим применение в серьезном производстве. При этом кора имеет существенные недостатки [33, 113]. Во-первых, по сравнению с другими видами древесного биотоплива кора обладает более низкой теплотой сгорания и большей зольностью [8, 85]; кора имеет большую влажность, в связи с тем, что ее никогда не сушат. Данные недостатки приводят к увеличению инвестиций и снижению эффективности при энергетическом использовании.

Рис. 1.1. Отходы лесопромышленного комплекса

Опилки и древесную щепу можно рассматривать в качестве топлива, прошедшего меньшую степень переработки. Содержание влажности в них может быть достаточно большим (до 70%), в силу чего опилки и щепа считаются «влажным» топливом. Малую влажность имеют опилки полученные в процессе производства мебели или сухих пиломатериалов [49, 50, 114, 115].

Свойства древесины как топлива определяются рядом характеристик, основными из которых являются теплота сгорания, химический состав, твердость, влажность, количество твердого углерода, количество летучих

веществ, содержание и состав золы, характеристики ошлакования золы, характеристики плавления золы, количество загрязняющих вещес�