Исследование влияния температуры предварительной термической обработки твердого древесного топлива на производительность сушильного комплекса

УДК 674.04

Р. Р. Сафин, И. Ф. Хакимзянов, П. А. Кайнов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТВЕРДОГО ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ СУШИЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Ключевые слова: твердое древесное топливо, газификация, генераторный газ, тепловой насос, сушка.

В статье рассматривается влияние характеристик торрефицированого твердого древесного топлива на производительность предлагаемого лесосушильного комплекса. В результате проведенных экспериментов было выявлено, что при газификации торрефицированного древесного топлива выделяется генераторный газ с лучшей теплотворной способностью по сравнению с газификацией необработанной древесины, что, тем самым, влияет на производительность сушильного комплекса.

Keywords: solid wood fuel, gasification, generator gas, heat pump, drying.

The article examines the impact of characteristics of torrefied solid wood fuel on the performance of the proposed complex. As a result of the experiments it was found that the generator gas with the best calorific value in comparison with the gasification of raw wood is exuded during the gasification of torrefied solid wood fuel.

Введение

В настоящее время наблюдается тенденция роста тарифов на энергоносители, в связи с чем особенно актуальной становится проблема энергосбережения в производственной деятельности предприятий. Поэтому внедрение энергосберегающих технологий является одним из важных направлений повышения эффективности производства и умелого ведения технологических процессов. При этом к одним из наиболее энергозатратных процессов, используемых во многих отраслях промышленности, можно отнести процессы сушки, которые обычно обусловлены высокими энергетическими затратами [1]. В частности, в деревообрабатывающей промышленности затраты энергии на сушку пиломатериалов достигают 15 % от стоимости продукции. Немаловажную роль в подобных процессах играет и продолжительность, которая на большинстве деревообрабатывающих предприятий занимает от двух недель до двух месяцев в зависимости от сортамента высушиваемого материала, что также приводит к значительному потреблению тепловой и электрической энергии. Решению данной проблемы способствует совершенствование известных и поиск новых методов сушки древесины [2-16]. Одним из возможных решений является разработка лесосушильного комплекса с использованием теплового насоса, который работает от двигателя внутреннего сгорания [17-22]. В качестве топлива для данного двигателя используется альтернативный источник энергии - отходы деревообработки, образующиеся на деревообрабатывающих предприятиях [23-26]. Однако низкая энергетическая плотность измельченной древесины является главной проблемой при ее энергетическом использовании. С целью повышения энергоэффективности отходы деревообработки гранулируют. Кроме того, одним из перспективных способов предварительной обработки древесного топлива является метод торрефикации - высокотемпературное воздействие без доступа кислорода воздуха [27, 28].

В работе [29] были проведены исследования физических и энергетических свойств топливных гранул,

подвергнутых различной температурной обработке без доступа кислорода. Было установлено, что с увеличением температуры термической обработки древесного сырья увеличивается их теплотворная способность. Авторами также было определено, что объемная теплота сгорания торрефи-ката по сравнению с обычными древесными гранулами в среднем увеличивается на 12 %.

Авторами Uslu A. и др. [30] были выполнены исследования по определению эффективности проведения предварительной термической обработки древесного сырья. Установлено, что проведение данной технологии в сочетании с гранулированием позволяет получить топливные гранулы с содержанием энергии до 22,7 МДж/кг.

Научной группой под руководством Mark J. Prins и др. [31] была исследована технология термомодифицирования древесины. Установлено, что при проведении данной технологии уменьшается содержание летучих веществ и увеличивается теплотворная способность древесины до 20,7 МДж/кг (при температуре термической обработки 270 °С) по сравнению с 17,7 МДж/кг для необработанной древесины.

Авторами Chen Qing и др. [32] были проведены исследования газификации торрефицирован-ных топливных гранул. В результате проведенных исследований авторами было установлено, что газификация топливных гранул, обработанных при температуре 250 °С, позволяет получить генераторный газ с большей энергоемкостью и качеством по сравнению с газификацией необработанной древесины.

Таким образом, из анализа литературы можно сделать вывод, что исследования в области тор-рефикации древесины в основном касаются режимных параметров процесса и свойств торрефи-ката без дальнейшего глубокого анализа рациональных сфер использования.

В связи с этим, в данной работе была поставлена задача выявления влияния температуры тер-

мической обработки древесного топлива на режимные параметры процесса сушки материалов.

Методы и материалы

С целью исследования влияния температуры термической обработки древесного топлива на производительность сушки была создана автономная сушильная установка, работающая на генераторном газе, являющемся продуктом газификации торрефицирован-ного древесного топлива (рис. 1).

Рис. 1 - Схема автономной установки для сушки древесных материалов: 1 - газогенератор; 2 - циклон для охлаждения газа; 3 - теплообменник; 4 - фильтр; 5 - дополнительный теплообменник; 6 - двигатель внутреннего сгорания; 7 - электрогенератор; 8 - компрессор теплового насоса; 9 - конденсатор; 10 - испаритель; 11 - вентилятор; 12 - сушильная камера; 13 - теплообменник для подогрева сушильного агента; 14 - циркуляционный насос

Принцип работы установки заключается в следующем: топливные гранулы поступают в газогенератор 1, где происходит термохимическая конверсия древесины с последующим получением генераторного газа. Далее генераторный газ после очистки в циклоне 2 поступает в теплообменник 3, где производится его охлаждение путем передачи теплоты газа через ограждающую поверхность жидкому теплоносителю, который при помощи циркуляционного насоса 14 направляется в сушильную камеру 12 для подогрева сушильного агента. После охлаждения и дополнительной очистки в фильтре 4 генераторный газ поступает в двигатель внутреннего сгорания 6, при сжигании которого вырабатывается тепловая и механическая энергия. Тепловая энергия в виде отработанных дымовых газов поступает в теплообменник 5, который используется для дополнительного подогрева жидкого теплоносителя, и затем, охлаждаясь, выбрасывается в атмосферу. Механическая энергия используется для привода компрессора теплового насоса 8, а также для получения электроэнергии, которая используется для работы циркуляционного насоса 14 и вентилятора 11, обеспечивающего циркуляцию сушильного агента в сушильной камере 12.

Сушка древесных материалов происходит следующим образом: после загрузки камеры и выхода на рабочий режим двигателя внутреннего сгорания, включением циркуляции жидкого теплоносителя, начинается прогрев сушильной камеры. В качестве сушильного агента используется атмосферный воздух, подогреваемый при помощи теплообменника 13. При выходе из

штабеля материалов сушильный агент охлаждается в испарителе теплового насоса 10, образованный при этом конденсат стекает в конденсатоот-водчик. Далее сушильный агент подогревается в конденсаторе теплового насоса 9 и, дополнительно подогреваясь на теплообменнике 13, снова подается к высушиваемому материалу. Сушка проводится до тех пор, пока влагосодержание древесного материала не достигнет заданного конечного значения.

Результаты

В ходе проведения экспериментов был определен состав получаемого генераторного газа в зависимости от температуры предварительной термической обработки древесного топлива (рис. 2). При проведении термической обработки древесного топлива наблюдается увеличение содержания в составе генераторного газа водорода и оксида углерода при одновременном уменьшении диоксида углерода, т. е. при увеличении температуры термической обработки древесного топлива повышается энергоемкость, получаемого при газификации, генераторного газа. Как видно из графика, при температуре термической обработки древесного топлива свыше 240°С наблюдается наибольшая энергоемкость генераторного газа.

Рис. 2 - Состав генераторного газа, полученного при газификации

торрефицированного твердого древесного топлива

В результате экспериментальных исследований установлено влияние полученного генераторного газа на мощность двигателя внутреннего сгорания (рис. 3). Как видно из графика, мощность двигателя прямо пропорционально зависит от температуры термической обработки древесного топлива. Таким образом, мощность двигателя может быть увеличена на 10-15 %.

Для подтверждения энергетической эффективности использования в качестве топлива тор-рефицированного древесного сырья были проведены исследования по определению температуры и относительной влажности сушильного агента в зависимости от температуры термической обработки древесного топлива (рис. 4).

N, íBl

180 200 220 240 260 280 т- °с

Рис. 3 - Зависимость мощности двигателя от температуры термической обработки древесного топлива

50 -I-1-,-,-1- 0,5

200 220 240 260 280 Т, °С

Рис. 4 - Зависимость температуры и относительной влажности сушильного агента от температуры термической обработки древесного топлива

Из графиков видно, что при увеличении температуры термической обработки древесного топлива увеличивается температура сушильного агента, вследствие увеличения температуры генераторного газа, подаваемого в теплообменник 3. При этом наблюдается снижение относительной влажности сушильного агента за счет увеличения мощности теплового насоса. В совокупности это дает увеличение скорости сушки материала на более чем 20 %.

Заключение

В работе исследовано влияние температуры предварительной термической обработки на производительность лесосушильного комплекса. Для проведения исследований была создана экспериментальная установка, состоящая из сушильной камеры с тепловым насосом, который работает от двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве топлива торрефи-цированные древесные гранулы.

В ходе проведения исследований было установлено, что значительное снижение относительной влажности среды в сушильной камере с увеличением температуры предварительной термической обработки древесного топлива объясняется увеличением мощности двигателя, и, соответственно, увеличением холо-допроизводительности теплового насоса.

Таким образом, использование торрефицированных топливных гранул в качестве альтернативного источника энергии позволяет увеличить производительность всего лесосушильного комплекса.

Данная работа выполнялась при поддержке

гранта Президента Российской Федерации для

государственной поддержки молодых российских

ученых - докторов наук (МД - 5596.2016.8).

Литература

1. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А. // Вестн. Казан. технол. унив., 16, 23, 76-78 (2013).

2. Сафин Р.Р., Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Николаев А.Н., Сафина А.В. // Вестн. Казан. технол. унив., 17, 21, 50-52 (2014).

3. Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Хасаншина Р.Т. // Вестн. Казан. технол. унив., 18, 2, 253-256 (2015).

4. Galyavetdinov N.R., Safin R.R., Mukhametzyanov S.R., Khakimzyanov I.F., Kaynov P.A. // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 15th, 731-738 (2015).

5. Хакимзянов И.Ф., Сафина А.В. // Деревообрабатывающая промышленность, 43, 21-23 (2014).

6. Кайнов П.А., Мухаметзянов Ш.Р., Хакимзянов И.Ф. // Энергетика Татарстана, 2 (38), 73-77 (2015).

7. Пат. РФ 2425306 (2009).

8. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Гильмиев Р.Р., Валиев Ф.Г. // Деревообрабатывающая промышленность, 5, 22-23 (2008).

9. Пат. РФ 2386912 (2009).

10. Галяветдинов Н.Р. // Автореф. дисс. канд. техн. наук, Казанский гос. энерг. унив., Казань, 2008, 16 с.

11. Галяветдинов Н.Р., Назипова Ф.В., Хасаншина Р.Т. // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика (Воронеж, Россия, 10-12 декабря, 2014), 2, 5-4, 84-87.

12. Пат. РФ 2353873 (2007).

13. Сафин Р.Р., Петров В.И., Герасимов М.К., Разумов Е.Ю., Галяветдинов Н.Р. // Вестн. Моск. госуд. университета леса - Лесной Вестник, 2, 139-142 (2009).

14. Галяветдинов Н.Р. // Дисс. канд. техн. наук, Казанский гос. энерг. унив., Казань, 2008.

15. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Галяветдинов Н.Р., Валиев Ф.Г. // Известия высш. учеб. заведений. Проблемы энергетики, 11-12, 159-163 (2008).

16. Сафин Р.Р., Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А. // Вестн. технол. унив., 18, 11, 128-131 (2015).

17. Сафин Р.Р., Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Хасаншина Р.Т. // Вестн. Казан. технол. унив., 17, 18, 219221 (2014).

18. Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А. // Деревообрабатывающая промышленность, 4, 12-15 (2014).

19. Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А. // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе, 386-388 (2015).

20. Хакимзянов И.Ф. // Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса, 147-148 (2015).

21. Хакимзянов И.Ф., Хасаншина Р.Т., Хакимзянова Г.Ф. // Инженерные кадры - будущее инновационной экономики России, 157-160 (2015).

22. Сафин Р.Р., Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А. // Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке, 936-941 (2016).

23. Shayakhmetova A.H., Nazipova F.V., Safin R.R., Timerbaeva A.L., Safina A.V. // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 15th, 53-58 (2015).

24. Шаяхметова А.Х., Тимербаева А.Л., Сафина А.В. // Деревообрабатывающая промышленность, 2, 41-45 (2015).

25. Сафин Р.Р., Разумов Е.Ю., Воронин А.Е., Зиатдинов А.Р., Сабиров А.Т. // Вопросы современной науки и практики, 5, 82-87 (2009).

26. Пат. РФ 2400671 (2009).

27. Ахунова Л.В., Шаяхметова А.Х., Сафина А.В. // Деревообрабатывающая промышленность, 2, 35-40 (2015).

28. Шаяхметова А.Х., Сафин Р.Р., Тимербаева А.Л., Зиатдинов Р.Р. // Вестн. технол. ун-та, 18, 8, 138-141 (2015).

29. Safin R.R., Khasanshin R.R., Timerbaeva A.L., Safina A.V. // Journal of Engineering Physics and Thermophys-ics, 88, 4, 925-928 (2015).

30. Uslu, A., Faaij, A.P., Bergman, P.C. // Energy, 33, 1206-1223 (2008).

31. Prins, M.J., Ptasinski, K.J., Janssen, F.J.J.G. // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 7, 1, 35-40 (2006).

32. Qing, Zhou Jinsong, Liu Bingjun, Mei Qinfeng, Luo Zhongyang // Chinese Science Bulletin, 56, 14, 14491456 (2011).

© Р. Р. Сафин - д.т.н., профессор, зав. каф. "Архитектуры и дизайна изделий из древесины", КНИТУ, cfaby@mail.ru; И. Ф. Хакимзянов - асс. каф. "Архитектуры и дизайна изделий из древесины", КНИТУ, ilshat_170@mail.ru; П. А. Кайнов -к.т.н., доц. каф. "Архитектуры и дизайна изделий из древесины", КНИТУ, kpa-nv@rambler.ru.

© R. R. Safin - doctor of technical sciences, professor, head of the Department of Architecture and design of wood products, KNRTU, cfaby@mail.ru; 1 F. Khakimzyanov - assistant of the Department Architecture and design of wood products, KNRTU, ilshat_170@mail.ru, P. A. Kaynov - candidate of technical sciences, associate professor of the Department of Architecture and design of wood products, KNRTU, kpa-nv@rambler.ru.