Установка переработки низкокачественной древесины в уголь

УДК 662.712

Р. Г. Хисматов, Е. В. Хисматова, Д. В. Тунцев, М. Р. Хайруллина, А. С. Савельев, И. С. Романчева

УСТАНОВКА ПЕРЕРАБОТКИ НИЗКОКАЧЕСТВЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ В УГОЛЬ

Ключевые слова: низкокачественная древесина, термохимическая переработка, пиролиз, сжигание, пиролизная установка,

реторта.

Эффективное использование низкокачественной, в том числе и мягколиственной древесины, является актуальной задачей деревообрабатывающей и лесной промышленности. Это ценное природное сырье, которое может компенсировать потребности ряда отраслей экономики. Термохимические методы переработки древесной биомассы позволяют обеспечить комплексную переработку невостребованного древесного ресурса. Эффективным методом термохимической переработки является пиролиз. В статье представлено подробное описание работы комплекса по переработке древесных отходов и низкокачественной древесины в уголь. Приведена принципиальная схема пиролизной установки «ПУ-10», описан принцип ее работы.

Keywords: natural Low-quality wood, thermochemical processing, pyrolysis, ombustion, pyrolysis plant, retort.

Efficient use of low quality, including softwood timber is an important task in wood and forestry, as the amount of waste left on the cutting area. This valuable natural raw materials, which can compensate for the needs of a number of industries. Thermochemical methods of processing wood biomass allow complex processing unclaimed wood resources. Effective method of thermochemical processing is pyrolysis. The article provides a detailed description of the complex for processing wood waste and low-quality wood into charcoal. Shows a schematic diagram of pyrolysis plant "PU-10", described how it works.

Лесная и лесоперерабатывающая промышленность является одной из важнейших и перспективных отраслей экономики в России. Главной задачей лесного хозяйства страны является обеспечение непрерывного и рационального пользования лесом.

Доля лиственных пород в лесах РФ всё время увеличивается за счёт недоиспользования мягколиственной древесины, а также в результате естественного возобновления осины и берёзы на вырубках хвойных насаждений [1]. На сегодняшний день вовлечение мягколиственной древесины в промышленную переработку является актуальной задачей современной экономики.

Количество отходов, оставленных на лесосеке, достигает 40% и приводит к значительному снижению эффективности использования лесных ресурсов. Более того, оставленная в лесу древесина негативно сказывается на экологической ситуации в местах ее заготовки, препятствует росту лесных массивов, может приводить к возникновению лесных пожаров, развитию патогенной микрофлоры и популяции насекомых вредителей.

К древесным отходам относятся многие побочные продукты переработки древесины, возникающие на различных стадиях данного процесса. На первом этапе производственного цикла в местах лесозаготовки остается большое количество некондиционной древесины в виде недоруба, сухостоя, вершины сломанной и раздавленной, вывернутой с корнем и т. п. [2]. Согласно статистическим данным потери при заготовке леса на данном этапе могут достигать 30% от исходного запаса, в том числе 13% благородных сортов древесины.

Использование пней и вершин, оставшихся на лесосеке, позволяет увеличить выход древесины с единицы лесной площади па 15-20%.

Основным сортообразующим пороком, характеризующим низкокачественную древесину, является внутренняя гниль. Большинство сортиментов (85%) попадает в разряд низкокачественной древесины именно из-за наличия гнили и лишь небольшая часть (до 15%) — в связи с другими пороками (кривизна, неправильный наклон волокон, свилеватость, сучковатость и др.).

В структуре лесов, наряду с хвойными породами и березой, пользующимися устойчивым спросом в сферах традиционного применения деловой древесины, много низкокачественных и практически не находящих сбыта осины, ольхи и тополя [3].

При существующей практике сплошных рубок затраты на заготовку древесины не только не окупаются, но и увеличивают себестоимость заготовки ценных пород. Поскольку правилами лесопользования запрещается оставлять

вырубленный лес на делянке, у заготовителей возникают дополнительные проблемы и затраты, связанные с очисткой делянок. Нередки случаи, когда низкокачественная древесина так и остается гнить в лесу. Сотни тысяч кубических метров низкокачественной древесины засоряют делянки или сжигаются, значительно увеличивая экологическую безопасность и опасность лесных пожаров.

Проблема утилизации низкосортной древесины до сих пор не в полной мере решена. На практике ее сжигают, а ведь удаляемая древесина — ценное природное сырье, которое может компенсировать потребности ряда отраслей экономики. Поэтому вопрос переработки древесных отходов и низкокачественной древесины является

значимым для деревообрабатывающей и лесной промышленности [4]. Необходимо разрабатывать новые и внедрять уже имеющиеся способы переработки низкокачественной древесины [5].

Получение энергии из биомассы, в связи с ростом цен на ископаемые энергоресурсы, является одним из наиболее динамично развивающихся направлений во многих странах мира.

Термохимические методы переработки древесной биомассы позволяют обеспечить комплексную переработку невостребованного древесного ресурса с умеренными капитальными затратами в энергию и различные химические продукты [6].

Рис. 1 - Термохимические способы переработки древесной биомассы

В настоящее время наибольшее развитие получили три основных направления термохимической переработки биомассы: это пиролиз, газификация и сжигание (рис. 1). Как видно из данной схемы, переработка биомассы позволяет получить различные продукты в зависимости от выбора процесса. При переработке древесной биомассы методом пиролиза возможно получение твердых, жидких и газообразных продуктов [7]. Полученная жидкость в процессе пиролиза может использоваться как сырьё для химической промышленности или в качестве альтернативного топлива [8, 9]. При не полном сжигании биомассы происходит газификация, целью которой является получение синтез газа, который может использоваться, как в энергетических целях, так и для дальнейшей переработки в химические продукты [10, 11]. Если увеличивать количество окислителя в процессе газификации, то он плавно переходит в процесс горения, основным назначением которого является получение тепловой энергии. Процесс термического разложения является определяющей стадией

вышеперечисленных процессов, поскольку обеспечивает первичную трансформацию исходных соединений древесной биомассы в результате сложных цепных химических превращений в жидкие, газообразные и твёрдые промежуточные продукты. В зависимости от внешних условий и свойств сырья состав и количество продуктов термического разложения сильно изменяется, что в свою очередь влияет на эффективность

термохимических процессов [12]. Таким образом, термохимические методы в зависимости от назначения могут обеспечивать

энерготехнологическую переработку древесных ресурсов.

Технология пиролиза представляет собой процесс термического разложения органических соединений без доступа кислорода при относительно низких температурах (350-800°С) по сравнению с процессами газификации (800-1300°С) [13, 14] и горения (900-2000°С). Пиролиз является эффективным методом термохимической переработки биомассы и одновременно одной из наименее развитых технологий ее энергетического использования [15, 16].

Наряду с большим разнообразием способов и классикой пиролиза древесины можно выделить способ в печах ретортного типа непрерывного действия, как наиболее перспективный. Этот способ является высокопроизводительным,

высокоэффективным и рентабельным.

Рассмотрим комплекс по переработке древесных отходов и низкокачественной древесины в уголь на базе печи ретортного типа.

Рис. 2 - План рабочей площадки: 1 - ПУ-10; 2 -выгрузочное устройство; 3 - штабеля; 4 -гидроколун; 5 - бочки 200 л; 6 - склад; 7 - дрова; 8 - бытовое помещение; 9 - складское помещение

Комплекс состоит из нескольких рабочих

зон:

- хранения древесины в штабелях;

- подготовки сырья: распиливания и раскалывания на гидроколуне на куски пригодные для использования;

- загрузки подготовленной древесины в реторты;

- пиролиза, где находится печь ПУ-10.

- остывания;

- разгрузки готовый продукт (уголь) пересыпается в герметичные бочки;

- выдержки угля;

- фасовки.

Установка «ПУ-10» (рис. 3) представляет собой печное устройство, технические характеристики, которого приведены в таблице 1.

Конструктивно установка состоит из кирпичной кладки 1 внутри, которой находятся камера горения, газораспределительные стенки, шесть отсеков сушки и восемь отсеков пиролиза.

Таблица 1 - Технические характеристики установки «ПУ-10»

№ Параметр, единица Величина

пп. измерения

1. Производительность:

- по исходному сырью

- получаемому продукту

2. Исходная абсолютная

влажность сырья, %, до 100

3. Размер перерабатываемого сырья, мм, не более: Диаметр *Ширина 500*1700

4. Напряжение, В 380

5. Суммарная электрическая мощность

электротельферов, кВт, не более: 4

6. Габаритные размеры, мм:

- ДхШхВ 18790х5050х12220

5

ш\ 1 Ii I Ii I » :

J. . Ü\ ^'..kdr

А

»1.1 Г-П

_J -Ц- Н1

-тгя 1 1 ГТ—1 1 ш!

^ • ж :

б

Рис. 3 - Принципиальная схема устройства «ПУ-10»: а) вид с боку; б) вид сверху: 1 - печь; 2 -реторта; 3 - выхлопная труба; 4 - кран; 5 -выгрузочное устройство; 6 - фундамент; 7 -дверца топки; 8 - трапы; 9 - люки сушильных отсеков, 10 - люки пиролизных отсеков, 11 -площадка остывания реторт

Реторты 2 с сырьём при помощи крана 4 загружаются в свободные отсеки сушки через открытые люки 9. Все реторты поочерёдно переставляются из сушильных отсеков в пиролизные отсеки через люки 10, где начинается

реакция пиролиза. Пиролизный газ подаётся в камеру горения, а полученное тепло подаётся в отсеки пиролиза, затем в отсеки сушки и отработанный топочный газ отводится через выхлопную трубу 3. Розжиг печи и поддержание температуры осуществляется через дверцы топки 7. По завершению процесса пиролиза реторты с готовым продуктом (древесный уголь) выгружаются краном на площадку для остывания 11, после чего освобождаются от продукта в выгрузочных устройствах 5. Пустые реторты вновь подаются на загрузку сырьем.

Перемещение рабочих при обслуживании установки осуществляется по трапам 8.

Представленный способ и установка термического разложения низкокачественной древесины и древесных отходов позволяет эффективно перерабатывать сырье в уголь удовлетворительного качества с выходом до 28% по массе.

Литература

1. Гильфанов, М.Ф. Исследование свойств древесного угля основных лесообразующих пород Республики Татарстан [Текст]/ М.Ф. Гильфанов, А.Т. Шаймуллин, М.Р. Хайруллина, С.А. Забелкин, А.Н. Грачев, Н.В. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. №21. С. 112-113.

2. Зиатдинова, Д.Ф. Комплексная переработка древесных отходов паровзрывным методом в аппарате высокого давления [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Д.Б. Просвирников, Р.Г. Сафин, Е.И. Байгильдеева // Вестник Казанского технологического университета. 2011. Т. 14. № 2. С. 124 - 131.

3. Хайруллина, Э.Р. Разработка технологии переработки древесных отходов с получением теплоизоляционного материала [Текст]/ Э.Р. Хайруллина, Ф.М. Филиппова, В.В. Степанов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. №3 ч. 2 (8-2). С. 459-462.

4. Тунцев, Д. В. Схема промышленной установки для переработки отходов лесного комплекса [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, А.М. Касимов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 3-2 (8-2). С. 445-448.

5. Сафин, Р.Г. Энергонезависимая установка непрерывной переработки древесных отходов / Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, И.И. Хуснуллин // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т.16. №14. С. 181-182.

6. Грачев, А. Н. Технология быстрого пиролиза при энергетическом использовании низкокачественной древесины [Текст]/ А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, И.А. Валеев, Р.Г. Хисматовв, А.А. Макаров, Д.В. Тунцев // Энергетика Татарстана. 2008. №4. С. 16-20.

7. Хисматов, Р.Г. Экспериментальное исследование термического разложения древесины при кондуктивном подводе тепла [Текст]/ Р.Г. Хисматов, М.Ф. Галиханов, М.К. Герасимов, Ю.Б. Грунин // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15 №3. С. 5658.

8. Грачев, А.Н. Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза отходов древообработки [Текст]/ А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин, М.А. Таймаров, К.Х. Гильфанов, Д.В. Тунцев // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. №11-12. С. 8083.

9. Забелкин, С.А. Энергетическое использование жидких продуктов быстрого пиролиза древесины [Текст]/ С.А. Забелкин, Д.В. Тунцев, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2010. №4. С. 79-83.

10. Тунцев, Д.В. Технологическая схема газификации жидкого продукта контактного пиролиза [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, З.Г. Сатарова // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16 №19. С. 139-141.

11. Тунцев, Д.В. Технологическая схема подготовки жидких продуктов пиролиза древесных отходов к газификации [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16 №21. С. 258-260.

12. Тунцев, Д.В. Схема контактного пиролиза отходов лесозаготовки [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, А.М. Касимов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. № 2-3 (7-3). С. 146-149.

13. Тимербаев, Н.Ф. Исследование восстановительной зоны процесса газификации древесных отходов [Текст]/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. Т. 14. № 8. С. 90-96.

14. Садртдинов, А.Р. Получение древесного угля и жидких продуктов пиролиза / А.Р. Садртдинов, И.И. Хуснуллин, З.Г. Саттарова // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - №1. - С. 4-6.

15. Грачев, А.Н. Исследование физико-химических свойств жидкого пиротоплива из отходов древесины и оценка возможности его энергетического использования [Текст]/ А.Н. Грачев, Р.А. Халитов, Ю.П. Семенов, Е.Ю. Разумов, Д.В. Тунцев // Деревообрабатывающая промышленность. 2009. №4.

16. Хисматов, Р.Г. Термическое разложение древесины при кондуктивном подводе тепла: диссертация ... кандидата технических наук : 05.21.05, 05.21.03 / Хисматов Р. Г. // Казань. нац. исслед. технол. ун-т. Казань. 2010. 188 с.

© Р. Г. Хисматов - к.т.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, XP8519@gmail.com; Е. В. Хисматова - учебный мастер кафедры Химической технологии древесины КНИТУ; Д. В. Тунцев - к.т.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, tuncev_d@mail.ru; М. Р. Хайруллина - магистрант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, 09111991m@gmail.ru; А. С. Савельев - студент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ; И. С. Романчева - студент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ.

© R. G. Hismatov - of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, XP8519@gmail.com; E. V. Hismatova - training master of chemical engineering wood KNRTU; D. V. Tuntsev - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, tuncev_d@mail.ru; M. R. Khairullina - master of chair of processing of wood materials KNITU, 09111991m@gmail.ru; A .S. Savelyev - student of the processing of wood materials KNRTU; I. S. Romancheva -student of the processing of wood materials KNRTU.