автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Технология производства и переработки древесной подстилочной массы из низкотоварной древесины

На правах рукописи

Халитов Айдар Зуфарович

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНОЙ ПОДСТИЛОЧНОЙ МАССЫ ИЗ НИЗКОТОВАРНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

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 г пЕК 2013

Казань - 2013

005543379

005543379

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

Научные руководители — Грачев Андрей Николаевич,

доктор технических наук, доцент

— Башкиров Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: - Санников Александр Александрович,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», профессор, кафедры технической механики и оборудования целлюлозно-бумажных производств

Смолин Александр Семенович

- доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров», заведующий кафедрой технологии бумаги и картона

Ведущая организация - Филиал федерального бюджетного

учреждения «Всероссийский научно-исследовательский ордена Трудового Красного Знамени институт лесоводства и механизации лесного хозяйства» «Восточно-европейская лесная опытная станция»

Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 года в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при ФГБОУ ВПО «КНИТУ» по адресу: 420015, Казань, ул. К. Маркса, 68.

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

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г. Учёный секретарь <- ,

диссертационного совета ,

Е.И.Байгильдеева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Все большую актуальность в мире приобретают вопросы переработки отходов и использования вторичных ресурсов в качестве топлива и материалов. Примером удачного применения отходов деревообработки является использование стружки и опилок в качестве подстилочного материала в птицеводстве. В России 50% птицефабрик мясного направления выращивают бройлеров при напольном содержании с использованием древесной подстилочной массы (ДПМ), что обеспечивает благоприятные условия для выращивания птицы по сравнению с клеточным содержанием. При этом птицефабрики напольного содержания вынуждены приобретать для технологических нужд ДПМ в виде мягких отходов деревообработки. В этом случае существенной проблемой для предприятий является регулярность поставок и стабильность качества ДПМ, количество которой может достигать значительных объемов, что не всегда удается обеспечить за счет деятельности близлежащих предприятий. Транспортировка же мягких отходов, сопряженная ввиду малой плотности с дополнительными транспортными затратами, значительно увеличивает стоимость ДПМ. Другой не менее важной проблемой является утилизация больших объемов отработанной ДПМ. ДПМ, прошедшая технологический цикл, превращается в потенциально опасный источник биологического загрязнения окружающей среды. По данным Всемирной организации здравоохранения, отходы (навоз, помет и сточные воды) животноводческих и птицеводческих предприятий могут быть фактором передачи более 100 возбудителей инфекционных и инвазионных болезней. Существующие способы утилизации в виде захоронения, компостирования и сбраживания отработанной ДПМ не позволяют решить проблему в полной мере. Учитывая большие объемы потребления ДПМ и необходимость ее переработки, целесообразной видится задача разработки комплекса по производству и переработки ДПМ из низкотоварного древесного сырья и отходов лесопиления в едином цикле птицеводческого предприятия. В связи с этим разработка эффективной технологии производства и переработки подстилочной массы из низкотоварной древесины и кусковых отходов деревообрабатывающих предприятий, является актуальной задачей, как в научном, так и в практическом плане.

Работа выполнена в рамках государственного контракта №7837р/11501 от 15.04.2010 на выполнение НИОКР по теме «Исследование процесса утилизации куриного помета термохимическим методом».

Степень проработанности проблемы. Вопросам производства и переработки ДПМ посвящены работы ряда зарубежных авторов: В.Р. Kelleher, Stephen Brick, Kaushlendra Singh, Isabel M. Lima, Nii Ofei D. Mante, N.S. Bolán, B. R. Bock, и др. Описание процессов измельчения и сушки древесных частиц представлено в работах исследователей: Шубин Г.С., Расев А.И., Сафин Р.Г., Литман Н.Д., Мазуркин П.М., Гомонай М.В., Атрощенко A.M., Сафонов А.О.,

Гайнуллин Р.Х., Чемоданов А.Н., Ширнин Ю.А и др. Однако, комплексного исследования технологии производства и переработки ДПМ термическим методом в едином цикле не проводилось, что подтверждает актуальность работы.

Дель работы состоит в исследовании и разработке эффективной технологии производства и переработки древесной подстилочной массы в цикле птицеводческого комплекса. В связи с этим в представленной работе были поставлены следующие исследовательские задачи:

- Определить материальный, тепловой баланс и оценить целесообразность производства и переработки древесной подстилочной массы;

- Изучить гранулометрический состав и физические свойства древесных частиц, применяемых в качестве древесной подстилочной массы;

- Определить материальный баланс процесса термического разложения древесной подстилочной массы;

- Разработать кинетическую модель и определить затраты тепла на процесс термического разложения древесной подстилочной массы;

- Определить состав продуктов, образующихся в процессе термического разложения древесной подстилочной массы;

- Разработать на базе проведенных исследований эффективную технологию производства и переработки древесной подстилочной массы на предприятиях птицеводческого комплекса.

Научная новизна

В ходе проделанной работы были получены следующие результаты:

- Впервые предложена и разработана технология производства и переработки древесной подстилочной массы из низкотоварной древесины в цикле птицеводческого предприятия;

- Разработана инженерная методика расчета технологии производства и переработки древесной подстилочной массы из низкотоварной древесины;

- Установлено, что количество древесной подстилочной массы составляющее 3 - 5 кг на 1 голову птицы, достаточно для соблюдения положительного теплового баланса термического разложения древесной подстилочной массы;

- В результате аналитических исследований сформулирован и обоснован диапазон гранулометрического состава древесной подстилочной массы (нижняя граница 0,3 мм; верхняя граница 5 мм);

- Разработана математическая модель термического разложения древесной подстилочной массы, учитывающая содержание древесины от 0 до 100%, в температурном диапазоне от 150 до 500 °С;

- Определена зависимость выхода продуктов термического разложения древесной подстилочной массы при различном содержании древесины от 0 до 100%;

- Впервые проведены исследования твердых и жидких продуктов термического разложения древесной подстилочной массы и охарактеризован их

качественный состав в зависимости от содержания древесины в древесной подстилочной массе;

Разработана технология термической переработки древесной подстилочной массы, новизна которой подтверждена патентом РФ.

Практическая ценность.

Предложен способ производства древесной подстилочной массы из низкотоварного древесного сырья на территории птицефабрики, позволяющий диверсифицировать доставку опилок, используемых в качестве древесной подстилочной массы. Разработанная математическая модель позволит обеспечить проектирование оборудования для переработки древесной подстилочной массы с использованием термических методов. Представленные практические рекомендации и технические решения могут быть использованы при создании оборудования для производства и переработки древесной подстилочной массы на предприятиях агропромышленного комплекса.

Реализация работы.

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании пилотной установки термического разложения древесной подстилочной массы и внедрены в учебный процесс при изучении дисциплины «Биомасса древесины как возобновляемый источник энергии и химического сырья» для бакалавров направления 240100.62 «Химическая технология» профиля «Химическая технология переработки древесины»

Автор защищает:

- Схему организации технологического процесса производства и переработки древесной подстилочной массы в рамках птицеводческого предприятия;

- Результаты расчета материального и теплового баланса производства и переработки древесной подстилочной массы;

- Рекомендации по выбору гранулометрического состава и влажности древесной подстилочной массы;

Математическую модель формальной кинетики термического разложения древесной подстилочной массы;

- Зависимость выхода продуктов термического разложения древесной подстилочной массы от содержании древесины в диапазоне от 0 до 100%;

- Результаты математического и физического моделирования процесса термического разложения древесной подстилочной массы;

- Схему промышленной установки термического разложения древесной подстилочной массы

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно - технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», г. Вологда, 2010; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодёжи «Актуальные проблемы органической химии», г. Казань, 2010; Международном научно - практическом семинаре

«Экологически устойчивое развитие. Рациональное использование природных ресурсов», г. Тула, 2010; VII Международной научно - практической конференции «Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы», г. Пенза, 2011; VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г. Казань, 2011; II Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в промышленности, науке и образовании», г. Оренбург, 2011; Всероссийской научно - практической конференции «Научное обеспечение развития АПК России», г. Пенза, 2012; Международной научно - практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты», г. Казань, 2012; Международном конгрессе «Биомасса: топливо и энергия», г. Москва 2012.

Личное участие автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора были поведены исследования термического разложения древесной подстилочной массы на лабораторной установке; разработана схема промышленной установки переработки древесной подстилочной массы. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ. Активное участие в работе принял к.т.н., доцент Макаров А.А.

Публикации

По результатам выполненных исследований автором опубликовано 17 печатных работ, из которых 5 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, 1 патент РФ на изобретение и 2 положительных решения на выдачу патента РФ на изобретение.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 138 страницах машинописного текста и включает в себя 55 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 123 источника.

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

В первой главе приведены классификация древесных отходов, а также требования, предъявляемые к древесному сырью, использующемуся в качестве ДПМ. Проанализированы процессы измельчения и сушки древесины различных пород. Было выявлено, что процессы измельчения и сушки достаточно изучены и широко представлены в работах современных ученых. Приведенные данные Росптицесоюза показывают, что из 160 птицефабрик бройлерного направления больше половины переходят на напольное содержание птицы. Напольный способ содержания птицы позволяет избежать дефектов птицы, снижающих качество производимой сельскохозяйственной продукции. Однако данный способ требует до 5 кг ДПМ для выращивания 1 птицы. Анализ существующих

методов переработки ДПМ показал, что наиболее перспективными из них являются термические методы переработки. Проведенный анализ показал быстрое развитие технологий термической переработки ДПМ в зарубежных странах (США, Канада, Европа, Китай). Однако для промышленной реализации технологии производства и переработки ДПМ, необходимо более детальное изучение процесса термического разложения, учитывающего изменение содержания древесины в ДПМ. Одним из методов переработки ДПМ в энергию и продукты является термический метод, включающий в себя процессы сжигания, газификации, пиролиза и торрификации. Для проектирования эффективной технологии термической переработки необходимо изучение процессов термического разложения ДПМ. При этом лимитирующим для процессов сжигания, газификации, пиролиза является именно термическое разложение, которое определяет кинетику, скорость реакций, качественный состав и соотношение продуктов.

Во второй главе проведены комплексные исследования свойств ДПМ, получаемой из низкотоварной древесины, а также процессов термического разложения и получаемых при этом продуктов. Был исследован гранулометрический состав измельченной в молотковой дробилке древесины различных пород, который показал, что основная часть измельченной древесины фракция с размерами 0,25 - 2 мм (рис. 1). Определены насыпная плотность (рис. 2), продолжительность сушки (рис. 3, 4), водопоглощение (рис. 5, 6), в зависимости от породы и размера фракции.

Установлено, что технологические свойства ДПМ улучшаются при уменьшении размера частицы, в частности увеличивается степень водопоглощения, уменьшается продолжительность сушки. Однако при уменьшении размера частиц ДПМ ниже 0,3 мм, увеличивается падеж птицы за счет заболеваний органов дыхания и зрения, а также создается повышенная запыленность в птичнике, ухудшающая условия труда персонала. Кроме того с уменьшением размера увеличиваются энергозатраты на измельчение. Повышение размера частицы выше 5 мм приводит к наминам и снижению категорийности мяса. При этом влажность ДПМ не должна превышать 22% для обеспечения необходимого водопоглощения.

§ 185

Рис. 1. Распределение фракций разных пород древесины после молотковой дробилки: 1 -сосна, 2 - липа, 3 - осина, 4 - береза

Рис. 2. Определение насыпной плотности измельченной древесины березы разных фракций

♦ 20,7

♦ 17,2

Рис. 3. Продолжительность сушки от 60% до 20% в зависимости от породы

0,3 0,8 1,3 1,8 23 2,8 3,3

Рис. 4. Продолжительность сушки от 60% до 20% в зависимости от размера фракции березы

Ь 200 ■

осика липа береза сосна 0.3 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 О, мм

Рис. 5. Водопоглощение измельченной Рис. 6. Водопоглощение измельченной

древесины в зависимости от пород древесины березы в зависимости от размера

фракций

С целью оценки кинетических характеристик при термическом разложении ДПМ также были проведены исследования методом совмещенной термогравиметрии (ТГ), и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), результаты которых показаны на рис. 7, 8. Согласно представленным зависимостям процесс термического разложения ДПМ протекает в 3 стадии.

од п

30 1 30 230 330 430 530 Т.'С

Рис. 7. Зависимость потери массы при различных содержаниях древесины в ДПМ:

Т,°С

Рис. 8. Тепловые эффекты термического разложения ДПМ при различных содержаниях древесины:

1 - Удр=0%, 2 - Удр=25%, 3 - Удр=50%, 4 - Уда=75%, 5 - Удр=100%

В интервале температур 30 - 150 °С происходит незначительное уменьшение массы образцов, связанное с сушкой и удалением легколетучих компонентов. Затем при температуре 300 - 350 °С начинаются процессы

термического разложения гемицеллюлозы и целлюлозы, характеризующиеся большей скоростью потери массы. Причем наибольшая скорость потери массы приходится на содержание древесины 100%, что связано с бурным разложением целлюлозы с повышением температуры до 375 °С.

Анализ кривой ДСК показал (рис. 8), что в интервале температур до 150 °С происходит интенсивное поглощение тепла, связанное с сушкой, а процессы пиролиза идут с эндотермическим эффектом, переходящим в экзо эффекты у древесины при температурах выше 400 °С.

С целью оценки материального баланса и свойств продуктов термического разложения были проведены исследования на экспериментальной установке, изображенной на рис. 10. Установка состоит из реактора термического разложения, конденсатора и газгольдера.

Результаты исследований выхода продуктов термического разложения ДПМ (рис. 9), полученные при параметрах процесса: скорость нагрева 400 °С/сек, продолжительность нагрева 60 сек, температура 600 °С, показали, что на выход продуктов влияет изменение содержания древесины в ДПМ. С повышением содержания древесины выход жидких продуктов увеличивается, а твердых уменьшается. Анализ состава пиролизной жидкости, полученной при термическом разложении ДПМ методом хромато - масс - спектрометрии показал, что в пиролизной жидкости, полученной из куриного помета, содержание органических кислот превышает в 7 раз а спиртов 4,2 раза по сравнению с пиролизной жидкостью древесины. При этом в пиролизной жидкости древесины содержание кетонов больше в 5,8 раз, фенолов в 4,6 раз, эфиров в 1,3 раза.

О 25 50 „, 75 100

содержание древесины, %

Рис. 9. Зависимость выхода продуктов термического разложения ДПМ от содержания древесины

В составе пиролизной жидкости ДПМ были идентифицированы жирные кислоты (пальмитиновая, олеиновая, уксусная, стеариновая, масляная, пропионовая), причем с увеличением содержания древесины в ДПМ их концентрация уменьшается (рис. 11).

Рис. 10. Лабораторная установка исследования термического разложения ДПМ: 1 - баллон с азотом, 2 - трансформатор электрического тока, 3 - ТРМ, 4 - реактор термического разложения, 5 - конденсатор, 6 - газгольдер.

Химический состав неконденсируемых газов, образующихся при термическом разложении ДПМ, представленный на рис. 12, показал что увеличение содержания древесины в ДПМ уменьшает выход соединений ароматического ряда, при этом выход метана и оксида углерода незначительно возрастают, а выход углеводородов ряда С1-С10 немного уменьшается.

Исследование свойств углистого остатка термического разложения ДПМ показало, что с увеличением содержания древесины в ДПМ концентрация фиксированного углерода незначительно уменьшается с 22,12% до 18,98%.

Ж1грные кислоты

карбоновые кислоте ♦

оксид углерода

содержание древесины. %

Рис. 11. Изменение концентраций жирных и карбоновых кислот пиролизной жидкости

содержание древесины. %

Рис. 12. Соотношение углеводородов и оксида углерода в неконденсируемой газовой фракции

В третьей главе разработана расчетная схема, в соответствии с которой проведены расчеты материального (1) и теплового (2) баланса, проведено моделирование термического разложения ДПМ. С целью оценки экономической целесообразности производства и переработки ДПМ в рамках птицефабрики была разработана схема производственного процесса, которая включает в себя сушку измельченного сырья до 22%, сушку отработанной ДПМ до 10% перед термическим разложением, термическое разложение, сжигание пиролизной жидкости и газа для энергетического обеспечения процесса пиролиза и сушки в

технологическом цикле (рис. 13). ___

углистый | / остаток

сырье

•ДПМ

птичник; ' ДПМ г

термическое разложение ДПМ

пиролизная

жидкость |

ПИРОЛИЗНЫИ!

газ

Рис. 13. Схема процесса получения, использования и переработки ДПМ

В соответствии с разработанной схемой уравнение материального баланса технологии получения и переработки ДПМ, запишется в следующем виде:

СИСХ + = С^ущ + в^щ + Сур + фà 4" С„Ж (1)

а уравнение теплового баланса - в виде соотношения:

■ • №н „г ■ У„г + Он пж ■ У„ж) = + <3„™ч + + <}„„„ + 5изб

(2)

Причем расход тепловой энергии на сушку в выражении (2) можно определить соотношением:

<}"уш = Сдр ■ Сяр • (Тк - Т„) + г • Св (3)

Тепловые затраты на процесс пиролиза можно оценить выражением:

Чпир= сД11М • сдпм • а—тн)+цпир ■ сдп„ (4)

Проведенные расчеты показали, что термическая переработка ДПМ происходит с профицитом тепловой энергии (рис. 14), при удельном использовании ДПМ более 5 кг на 1 голову выращиваемой птицы (рис. 15).

16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000

потребление птичника

сушка ДПМ

Расход, кДж/кг

Прнход, кДж/кг

Профицит т энергии, кДж/кг

сушка использованной ДПМ

1 пнролизная

Расход, 1

Приход, кг

Рис. 14. Энергетический баланс производства и переработки ДПМ

Рис. 15. Материальный баланс производства и переработки ДПМ

С целью разработки математической модели термического разложения ДПМ был проведен кинетический анализ ТГ кривых с применением метода наименьших квадратов и подбора вида уравнения формальной химической кинетики. Апроксимация экспериментальных данных во всей расчетной области одним уравнением не приводит к удовлетворительному результату, достаточному для инженерной точности. Тем не менее, наилучшее приближение достигается в случае описания термического разложения древесины уравнением Аврами - Ерофеева, а термическое разложение помета - уравнением формальной химической кинетики дробного порядка. Полученные кинетические константы термического разложения ДПМ были использованы в математической модели термического разложения.

В связи с этим было принято допущение, что в процессе термического разложения ДПМ отсутствует химическое взаимодействие между конденсируемыми фазами древесины и куриного помета, и была принята гипотеза аддитивности первичного термического разложения компонентов ДПМ. При этом первичное разложение каждого компонента описывается соответствующим отдельным уравнением формальной химической кинетики. Таким образом изменение концентрации ДПМ в результате термического разложения можно определить уравнением:

дСсм ат

. ЗСп ЗСдр ' дт дт

При этом концентрация древесины описывается дифференциальным соотношением Аврами - Ерофеева, записанным в следующем виде:

^Е = —135 . Ю12 • е"Т ■ 0,48205 • Сдр • (- 1п(Сдр)Г'°7 (6)

а концентрация куриного помета определяется соотношением:

ас 1+2,7 (i\

= -8,65 • Ю10 • еТ • су 1' >

дх

Начальные условия для выражений (6), (7) назначаются в соответствии с начальным распределением концентрации помета и древесины в подстилочной массе:

Сдр(0) = cjjp (8)

с„(о) = cj (9)

Представленная на рис. 16 зависимость показывает хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных в диапазоне температур 150 - 500 °С. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных составляет не более 7%.

Для определения выхода углистого остатка при термическом разложении ДПМ в исследуемом диапазоне температур и концентрации древесины было получено следующее эмпирическое выражение:

V__I__(10)

36,85 - 0,01 ■ Уд^ (0,68 ■ 10"3 + 0,41 • 10~6 • У^) • I2 О < < 100; 400 < К 590 С целью оценки затрат тепла на процесс термического разложения ДПМ путем обработки ДСК данных была получена зависимость удельных затрат на процесс термического разложения ДПМ от содержания древесины:

q = 0,0047 ■ Уд2р - 0,8747 ■ Удр + 106,01 (11)

Суммарные тепловые затраты на процесс термического разложения ДПМ, показанные на рис. 17, получены интегрированием кривой ДСК в диапазоне температур от 150 до 590 °С.

Рис. 16. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных при термическом разложении ДПМ: 1 - Удр=25%, 2 - Уда=50%, 3 -Удр=75%

60 -1-1---1-'

О 25 50 „, 75 100

содержание древесины, %

Рис. 17. Интегральные значения тепловых эффектов термического разложения ДПМ

Для термического разложения ДПМ с уменьшением содержания древесины требуется большее количество тепла. Таким образом, удельные затраты тепла для куриного помета больше, чем для древесины, на 70,73%.

В четвертой главе проведен анализ производственного процесса птицефабрики и обоснована экономическая целесообразность предложенной производственной схемы, проведены испытания на пилотной установке.

Рис. 18. Схема технологического процесса термической переработки ДПМ: 1 - блок выгрузки продукции, 2 - блок загрузки ДПМ, 3 - блок пиролиза ДПМ, 4 - блок конденсации парогазовой смеси, 5 - блок сбора жидких продуктов, 6 - блок сжигания неконденсируемых газов, с получением

электроэнергии.

На основе проведенных исследований была разработана технологическая схема комплексной переработки использованной ДПМ, новизна технологических и технических решений которой защищена патентом на изобретение № 2443761 (рис. 18).

Таблица 1

Технико - экономический анализ текущей и предлагаемой схемы производства и переработки ДПМ_

Показатели Текущая схема Предлагаемая схема

Объем сырья, т/год 3650 3650

Стоимость сырья, руб/т. 1500 170

Расходы на подготовку ДПМ, руб/год - 1 556 785

Количество использованной ДПМ, т/год 7300 7300

Расходы на переработку использованной ДПМ, руб/год 1 599 992 847 500

Выручка от реализации углистого остатка, руб/год 4 672 000

Прибыль (убыток) в год, руб. (9 736 450) 623 577

Эффект от использования предлагаемой модели, руб/год 10 360 028

Экономическое обоснование предлагаемой схемы показало, что подготовка ДПМ в цикле птицеводческого предприятия с применением термохимического метода переработки использованной ДПМ позволит получить

годовой экономический эффект в размере 10 360 028 руб., при переработке ДПМ в количестве 7300 т в год (табл. 1).

Основные результаты и выводы

1. Проведен анализ современного состояния техники и технологии производства и переработки древесной подстилочной массы.

2. Предложена схема производства и переработки древесной подстилочной массы в рамках птицефабрики, которая позволяет диверсифицировать производство и обеспечить получение экономического эффекта в размере 10 360 028 руб. в год при переработке 7300 т древесной подстилочной массы в год.

3. Определено минимальное удельное количество древесной подстилочной массы, необходимое для энергообеспечения процесса сушки и термической переработки древесной подстилочной массы, которое составляет 5 кг на 1 голову птицы.

4. Определен диапазон размеров древесных частиц и влажность используемых в качестве древесной подстилочной массы (соответственно 0,3 - 5 мм и 20 - 25%).

5. Разработана математическая модель термического разложения древесной подстилочной массы, учитывающая содержание древесины в древесной подстилочной массы.

6. Разработаны алгоритм расчета и моделирующая программа математической модели формальной химической кинетики термического разложения древесной подстилочной массы, позволяющая рассчитать выход продуктов термического разложения.

7. Определен характер влияния содержания древесины на выход и состав продуктов термического разложения, а также величины затрат тепла для осуществления процесса.

9. По результатам исследований разработан способ термической переработки ДПМ, новизна которого подтверждена патентом.

Основные обозначения: Y - массовая доля, %, q - тепловой поток, мВт/мг, G - удельный расход, кг/кг, Q - удельный тепловой поток, кДж/кг, с -теплоемкость, Дж/(кг-К), С - концентрация смеси, кг/м3, т - время, сек, R -универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К), Т - температура, К, е -экспонента, t - температура, °С, г - удельная теплота парообразования, кДж/кг

Индексы: 0 - начальный, др - древесина, см - смеси, п - помет, мае. -массовое, кон - конечная, исх - исходное, суш - сушка, пг - пиролизный газ, пж - пиролизная жидкость, сух - сухой, птич - птичник, пир - пиролиз, изб -избыток, к - конечный, н - начальный, уг - уголь, в - вода, ДПМ - древесная подстилочная масса.

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Халитов, А.З. Исследование кинетики термического разложения древесной подстилочной массы / А.З. Халитов, А.Н. Грачев, A.A. Макаров, В.Н. Башкиров, М.А. Варфоломеев, М.И. Валитов [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2013. - № 14. - С. 108 - 110.

2. Тунцев, Д.В. Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза и его влияния на конструкционные материалы / Д.В. Тунцев, А.З. Халитов, А.Н. Грачев [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2010. - № 9. - С. 103 - 107.

3. Халитов, А.З. Исследование термохимического метода переработки куриного помета и определение материального баланса продуктов / А.З. Халитов, В.Н. Башкиров, А.Н. Грачев, Д.В. Тунцев, А.Т. Шаймуллин [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2012. - № 1. - С. 105 -107.

4. Халитов, А.З. Исследование состава и свойств продуктов переработки древесной пометно - подстилочной массы термохимическим методом / А.З. Халитов, А.Н. Грачев, P.A. Халитов, Ю.Б. Грунин [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2012. - № 3. - С. 104 - 105.

5. Гильфанов, М.Ф. Исследование термохимического метода переработки органических отходов агропромышленного комплекса, деревообрабатывающей и лесной промышленности / М.Ф. Гильфанов, В.Н. Башкиров, Г.М. Файзрахманова, С.А. Забелкин, А.Н. Грачев, А.З. Халитов, И.Г. Земсков // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2012. — № 18. - С. 66 - 69.

Патенты:

6. Пат. № 2443761. РФ, МПК C10L. Способ переработки птичьего помета / В.Н. Башкиров, А.Н. Грачев, Д.В. Башкиров, С.А. Забелкин, A.A. Макаров, Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, А.З. Халитов, JI.H. Герке, A.B. Князева; патентообладатель ООО «Химтех». - №2010109221/05. заявл. 15.03.2010, опубл. 27.02.2012, Бюл. №6.

Труды в прочих изданиях:

9. Халитов, А.З. Материальный и энергетический баланс переработки куриного помета термическим методом / А.З. Халитов, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, Д.В. Тунцев // Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы: сборник статей VII Международный научно-практической конференции / МНИЦ ПГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - С. 142 - 144.

10. Халитов, А.З. Переработка растительной биомассы в углеводородные смеси / А.З Халитов, А.Н. Грачев // Материалы докладов VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 3. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2011.-С. 17-18.

11. Грачев, А.Н. Переработка низкокачественной древесины в моторное топливо / А.Н. Грачев, А.З. Халитов // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы международной научно-технической конференции.-Вологда: ВоГТУ, 2010. - С. 146 - 148.

12. Забелкин, С.А. Использование пиролизной жидкости при производстве смолы древесной омыленной / С.А. Забелкин, А.З. Халитов, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров // Актуальные проблемы органической химии: материалы Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодёжи; Федеральное Агентство по образованию, Казанской государственный технологический университет. - Казань: КГТУ, 2010. - С. 195.

13. Халитов, А.З. Исследование свойств углистого продукта получаемого быстрым пиролизом куриного помета / А.З. Халитов, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, М.Ф. Гильфанов // Научное обеспечение развития АПК России: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции /МНИЦ ПГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - С. 92 - 93.

14. Халитов, А.З. К вопросу переработки куриного помета / А.З. Халитов, В.Н. Башкиров, А.Н. Грачев // Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты: материалы международной науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, 21-22 октября 2011 г.: в 3 т. Т. 1. — Казань: Изд-во «Познание» Института экономики, управления и права, 2012. - С. 394 - 396.

15. Халитов, А.З. Пиролиз как метод утилизации куриного помета / А.З. Халитов, Д.В. Тунцев, А.А. Макаров, И.Г. Земсков, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Международный Конгресс «Биомасса: топливо и энергия». 17-18 апреля 2012 года. Москва: Тезисы. - М., 2012. - С. 69 - 70.

16. Забелкин, С.А. Использование жидких продуктов быстрого пиролиза при производстве фенолоформальдегидных смол / С.А. Забелкин, А.З. Халитов, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров // Новые технологии в промышленности, науке и образовании: научно-методический сборник / под общей редакцией И.П. Белова. - Оренбург : Изд-во ООО «Золотой Кардинал», 2011. - С. 524.

17. Грачев, А.Н. Исследование влияния пиролизной жидкости на металлические конструкционные материалы / А.Н. Грачев, А.З. Халитов // Экологически устойчивое развитие. Рациональное использование природных ресурсов Междунар. науч. - практич. семинар под общ. ред. Э.М. Соколова -Тула: Изд - во «Инновационные технологии», 2010. - С. 17-18.

Формат 60x84/16 Гарнитура Тайме. Бумага офсетная №1 Печать RISO. Уч.-изд.л. 1,2 Тираж 100 экз.

ЦЕНТР ПЕЧАТИ "Линк" Казань, ул. Карла Маркса, 51

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический

университет»

На правах рукописи

04201455757

Халитов Айдар Зуфарович

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНОЙ ПОДСТИЛОЧНОЙ МАССЫ ИЗ НИЗКОТОВАРНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева;

химия древесины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные доктор технических наук, доцент

руководители: Грачев Андрей Николаевич;

доктор технических наук, профессор

Башкиров Владимир Николаевич

Казань - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Глава Название Стр.

Введение 4

Современное состояние техники и технологии производства и ^ переработки древесной подстилочной массы из низкотоварной ^ ^

древесины и кусковых отходов деревообрабатывающих предприятий

^ ^ Физико - химические свойства древесной подстилочной ^ ^

массы

^ 2 Оборудование для производства древесной подстилочной ^ массы

1.3 Методы переработки древесной подстилочной массы 31 Вывод 38

ц Экспериментальное исследование свойств древесной ^д

подстилочной массы и процесса ее термического разложения 2.1 Исследование свойств древесной подстилочной массы 39

2 2 Исследование кинетики термического разложения древесной ^

подстилочной массы 2 ^ Экспериментальный стенд для исследования процесса

термического разложения древесной подстилочной массы 2 ^ Исследование химических свойств жидких продуктов ^ ^

термического разложения древесной подстилочной массы Вывод 68

щ Математическое описание процессов производства и ~ ^

термической переработки древесной подстилочной массы ^ ^ Математическая модель термического разложения древесной ^

подстилочной массы ^ 2 Результаты моделирования производства и переработки ^

древесной подстилочной массы

Вывод 94

Промышленная реализация технологии производства и IV переработки древесной подстилочной массы методом 95

термического разложения

Производство древесной подстилочной массы из

4.1 низкотоварной древесины и отходов предприятий 95 лесопромышленного комплекса

Опытно - промышленная установка и испытания технологии

4.2 переработки отработанной древесной подстилочной массы 98 методом термического разложения

^ ^ Разработка производственного комплекса для переработки ^ ^ древесной подстилочной массы

4.4 Технико - экономический анализ технологии производства и 109

термической переработки древесной подстилочной массы

Вывод 117

Заключение 118

Основные обозначения 123

Список использованной литературы 125

Приложение 1. Заключение по исследованию жидких ^ продуктов пиролиза

Приложение 2. Заключение по исследованию газообразных ^g продуктов пиролиза

Приложение 3. Протокол количественного химического 0

1 JO

анализа

Приложение 4. Исходный текст программы расчета 160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Все большую актуальность в мире приобретают вопросы утилизации отходов и использования вторичных ресурсов в качестве топлива и материалов. Примером удачного применения отходов деревообработки является использование стружки и опилок в качестве подстилочного материала в птицеводстве. В России 50% птицефабрик мясного направления выращивают бройлеров при напольном содержании с использованием древесной подстилочной массы (ДПМ), что обеспечивает благоприятные условия для выращивания птицы по сравнению с клеточным. При этом птицефабрики напольного содержания вынуждены приобретать для технологических нужд древесную подстилочную массу в виде мягких отходов деревообработки. В этом случае существенной проблемой для предприятий является регулярность поставок и стабильность качества древесной подстилочной массы, количество которой может достигать значительных объемов, что не всегда удается обеспечить за счет деятельности близлежащих предприятий. Транспортировка же мягких отходов, сопряженная ввиду малой плотности с дополнительными транспортными затратами, значительно увеличивает стоимость древесной подстилочной массы. Другой не менее важной проблемой является утилизация больших объемов отработанной древесной подстилочной массы, которая превращается, после технологического использования, в потенциально опасный источник биологического загрязнения окружающей среды. По данным Всемирной организации здравоохранения, отходы (навоз, помет и сточные воды) животноводческих и птицеводческих предприятий могут быть фактором передачи более 100 возбудителей инфекционных и инвазионных болезней. Существующие способы утилизации в виде захоронения, компостирования и сбраживания отработанной ДПМ не позволяют решить проблему в полной мере. Учитывая большие объемы потребления ДПМ и необходимость ее переработки, целесообразной видится задача разработки комплекса по производству и переработки ДПМ из низкотоварного древесного сырья и отходов лесопиления в едином цикле

птицеводческого предприятия. В связи с этим разработка эффективной технологии производства и переработки подстилочной массы из низкотоварной древесины и кусковых отходов деревообрабатывающих предприятий, является актуальной задачей, как в научном, так и в практическом плане.

Работа выполнена в рамках государственного контракта №7837р/11501 от 15.04.2010 на выполнение НИОКР по теме «Исследование процесса утилизации куриного помета термохимическим методом».

Степень проработанности проблемы. Вопросам производства и переработки ДПМ посвящены работы ряда зарубежных авторов: В.P. Kelleher, Stephen Brick, Kaushlendra Singh, Isabel M. Lima, Nii Ofei D. Mante, N.S. Bolán, B. R. Bock, и др. Изучение процессов измельчения и сушки древесных частиц описано в работах исследователей: Шубина Г.С., Расева А.И., Сафина Р.Г., Литмана Н.Д., Мазуркина П.М., Гомонай М.В., Атрощенко A.M., Сафонова А.О., Чемоданова А.Н., Ширнина Ю.А и др. Однако, комплексного исследования технологии производства и переработки ДПМ термическим методом в едином цикле не проводилось, что подтверждает актуальность работы.

Цель работы состоит в исследовании и разработке эффективной технологии производства и переработки древесной подстилочной массы в цикле птицеводческого комплекса. В связи с этим в представленной работе были поставлены следующие исследовательские задачи:

- определить материальный и тепловой баланс и оценить целесообразность производства и переработки древесной подстилочной массы;

- изучить гранулометрический состав и физические свойства древесных частиц, применяемых в качестве древесной подстилочной массы;

- определить материальный баланс процесса термического разложения древесной подстилочной массы;

- разработать кинетическую модель и определить затраты тепла на процесс термического разложения древесной подстилочной массы;

- определить состав продуктов, образующихся в процессе термического разложения древесной подстилочной массы;

- разработать на базе проведенных исследований эффективную технологию производства и переработки древесной подстилочной массы на предприятиях птицеводческого комплекса.

Научная новизна

В ходе проделанной работы были получены следующие результаты:

- впервые предложена и разработана технология производства и переработки древесной подстилочной массы из низкотоварной древесины в цикле птицеводческого предприятия;

- разработана инженерная методика расчета технологии производства и переработки древесной подстилочной массы из низкотоварной древесины;

- установлено, что для соблюдения положительного теплового баланса минимальное удельное количество древесной подстилочной массы должно составлять 3 - 5 кг на 1 голову птицы;

- в результате аналитических исследований сформулирован и обоснован диапазон гранулометрического состава древесной подстилочной массы (нижняя граница 0,3 мм; верхняя граница 5 мм);

- разработана математическая модель термического разложения древесной подстилочной массы, учитывающая содержание древесины от 0 до 100%, в температурном диапазоне от 150 до 500 °С;

- определена зависимость выхода продуктов термического разложения древесной подстилочной массы при различном содержании древесины от 0 до 100%;

- впервые проведены исследования твердых и жидких продуктов термического разложения древесной подстилочной массы и охарактеризован их качественный состав в зависимости от содержания древесины;

- разработана технология термической утилизации древесной подстилочной массы, новизна которой подтверждена патентом РФ.

Практическая ценность.

Предложен способ производства из низкотоварного древесного сырья подстилочной массы на территории птицефабрики, позволяющий

диверсифицировать доставку опилок, используемых в качестве древесной подстилочной массы. Разработанная математическая модель позволит обеспечить проектирование оборудования для утилизации древесной подстилочной массы с использованием термических методов. Представленные практические рекомендации и технические решения могут быть использованы для создания оборудования переработки древесной подстилочной массы на предприятиях агропромышленного комплекса.

Реализация работы.

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании пилотной установки термического разложения древесной подстилочной массы и внедрены в учебный процесс при изучении дисциплины «Биомасса древесины как возобновляемый источник энергии и химического сырья» для бакалавров направления 240100.62 «Химическая технология» профиля «Химическая технология переработки древесины»

Автор защищает;

схему организации технологического процесса производства и переработки древесной подстилочной массы в рамках птицеводческого предприятия;

- результаты расчета материального и теплового баланса производства и переработки древесной подстилочной массы;

- рекомендации по выбору гранулометрического состава и влажности древесной подстилочной массы;

- математическую модель формальной кинетики термического разложения древесной подстилочной массы;

- зависимость выхода продуктов термического разложения древесной подстилочной массы от содержания древесины в диапазоне от 0 до 100%;

- результаты математического и физического моделирования термического разложения древесной подстилочной массы;

- схему промышленной установки термического разложения древесной подстилочной массы.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно - технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», г. Вологда, 2010; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодёжи «Актуальные проблемы органической химии», г. Казань, 2010; Международном научно - практическом семинаре «Экологически устойчивое развитие. Рациональное использование природных ресурсов», г. Тула, 2010; VII Международной научно - практической конференции «Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы», г. Пенза, '2011; VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г. Казань, 2011; II Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в промышленности, науке и образовании», г. Оренбург, 2011; Всероссийской научно - практической конференции «Научное обеспечение развития АПК России», г. Пенза, 2012; Международной научно - практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты», г. Казань, 2012; Международном конгрессе «Биомасса: топливо и энергия», г. Москва, 2012.

Личное участие автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора были поведены исследования термического разложения древесной подстилочной массы на экспериментальном стенде; разработана схема промышленной установки переработки древесной подстилочной массы. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.

Публикации

По результатам выполненных исследований автором опубликовано 17 печатных работ, из которых 5 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, 1 патент РФ на изобретение и 2 положительных решения на выдачу патента РФ на изобретение.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 138 страницах машинописного текста и включает в себя 65 рисунка и 16 таблиц. Список литературы содержит 123 источника.

В первой главе приведены классификация древесных отходов, а также требования, предъявляемые к древесному сырью, использующемуся в качестве древесной подстилочной массы. Проанализированы процессы измельчения и сушки древесины различных пород.

Во второй главе проведены комплексные исследования свойств древесной подстилочной массы, получаемой из низкосортной древесины, а также процессов термического разложения и получаемых при этом продуктов.

В третьей главе разработана расчетная схема, в соответствии с которой проведены расчеты материального и теплового баланса, проведено моделирование термического разложения древесной подстилочной массы.

В четвертой главе проведен анализ производственного процесса птицефабрики и обоснована экономическая целесообразность предложенной производственной схемы, проведены испытания на пилотной установке.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту Макарову Александру Александровичу, который принимал активное участие в качестве научного консультанта на всех этапах работы.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНОЙ ПОДСТИЛОЧНОЙ МАССЫ ИЗ НИЗКОТОВАРНОЙ ДРЕВЕСИНЫ И КУСКОВЫХ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

В соответствии с поставленной целью исследовательской работы, необходима разработка единого подхода к производству и переработке древесной подстилочной массы в цикле птицеводческого предприятия. В связи с этим, на стадии аналитического обзора целесообразным видится рассмотрение вопросов, связанных, прежде всего, со свойствами объекта исследования - древесной подстилочной массы, технологиями ее производства, переработки, а также аппаратурного оформления процессов.

1.1. Физико - химические свойства древесной подстилочной массы

Сырой птичий помет представляет собой устойчивую коллоидную систему влажностью 80 - 90 % [70, 72, 84]. Поэтому на птицефабриках для улучшения технологичности и условий выращивания птиц, при напольном содержании, выкладывают подстилку в виде измельченных древесных отходов (древесная подстилочная масса).

По мере жизнедеятельности птиц древесные отходы смешиваются с пометом, образуя древесно - пометную подстилочную массу. Далее при выращивании следующего поколения кур, использованная древесная подстилочная масса убирается, и на ее место выкладываются «свежие» древесные отходы. Использованная древесная подстилочная масса включает в себя помет, пищевые остатки кормления, перья, подстилочный материал и другие отходы.

Для каждого цыпленка в производственном цикле, который длится около 50 дней, требуется 2,5 - 3 кг древесных отходов, что приводит к образованию 3,5 -7,5 кг отходов 3 класса опасности в виде использованной древесной подстилочной массы [73, 63]. При клеточном содержании птицы поступление помета от кур-

несушек взрослого стада составляет 150 - 160 грамм в сутки при влажности 71 -73 % абс. [72,73,93].

Общая величина пометной массы с подстилкой, поступающей от птичника (при напольном содержании птицы), зависит от продолжительности содержания и вида птицы. Так, например, за цикл выращивания 1000 голов бройлеров поступает 5 тонн помета с подстилкой, что в среднем составляет 5кг на 1 голову [73, 96].

Также необходимо добавить, что растительные корма в организме животных в результате сложных биохимических процессов трансформируются в органическое вещество тела животного. Установлено, что в продукты животноводства при этом переходит около 16 % всей энергии кормов, 24 % идет на переваривание и усвоение, а большая часть энергии, около 60 %, превращается в навоз [98, 100, 106]. Большие объемы куриного помета накапливаются вблизи птицеферм, а места хранения помета, часто несанкционированные, превращаются в потенциально опасные источники биологического и химического загрязнения окружающей среды.

С целью первичной оценки свойств объекта исследования, необходимо рассмотреть основные свойства древесины и куриного помета, применительно к процессам, протекающим на производстве и переработке древесной подстилочной массы.

Физико-химические свойства древесины

Древесина состоит, в основном, из органических ве