Переработка древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование

УДК 662.754

С. А. Забелкин, А. Н. Грачёв, В. Н. Башкиров

ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОЕ ТОПЛИВО И ЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Ключевые слова: древесина, жидкое топливо, пиролиз, термическая переработка.

Разработана двухстадийная схема энергетического использования древесины: первая стадия - термическая переработка древесины в жидкое топливо, вторая стадия - энергетическое использование полученного топлива методом сжигания.

Key words: wood, liquid fuel, pyrolysis, thermal processing.

Scheme of energy use of wood in two steps has been developed. The first step is wood thermal processing into liquid fuel, the second step is energy use of received fuel by combustion.

Одной из актуальных проблем лесного комплекса является использование низкокачественной древесины и древесных отходов, образующихся при лесозаготовке, лесопереработке и деревообработке. В частности, перед предприятиями деревообрабатывающей промышленности уже сейчас весьма остро стоит проблема утилизации отходов деревообработки, доля которых доходит до 60% от объёмов готовой продукции. В то же время древесная биомасса является перспективным возобновляемым источником энергии. По прогнозам Европейского совета по возобновляемой энергетике (EREC) к 2040 г. за счёт возобновляемых источников энергии будет покрываться почти половина мирового потребления первичной энергии, причём 25% будет составлять доля энергии биомассы. Однако древесина также имеет ряд существенных недостатков при энергетическом использовании. Нестабильность топливных свойств и гранулометрического состава, гигроскопичность, низкая энергетическая плотность приводят к снижению эффективности энергетического использования древесных отходов. Одним из путей снижения влияния данных недостатков является использование термохимических методов переработки древесины. Среди этих методов наиболее эффективным является процесс быстрого пиролиза, который позволяет перерабатывать древесную биомассу с высоким выходом жидких продуктов (пиролизной жидкости). Жидкие продукты имеют ряд преимуществ по сравнению с твёрдой биомассой, которые особенно проявляются при их транспортировке, хранении и использовании [1]. Однако для промышленной реализации технологии получения и энергетического использования жидких продуктов пиролиза необходимо проведение более глубоких научных исследований. В связи с этим комплексное исследование совокупности процессов переработки древесины термохимическими методами в жидкое топливо и его энергетического использования на существующем топливном оборудовании является актуальной задачей как в научном, так и в практическом плане.

Совокупность процессов термической переработки древесины с получением пиролизной жидкости и её энергетического использования можно представить в виде расчётной схемы (рис. 1). Технологический процесс согласно предложенной схеме

представляет собой совокупность двух взаимосвязанных последовательных стадий. На первой стадии исходная древесина методом термического разложения перерабатывается в парогазовую смесь и мелкодисперсный уголь. Переработка осуществляется методом быстрого пиролиза, заключающемся в нагреве сырья до температуры 450-500°С без доступа кислорода с временем пребывания продуктов в зоне реакции 1-2 с. Образовавшаяся парогазовая смесь очищается от мелкодисперсного угля с использованием циклона. После этого следует конденсация парогазовой смеси с образованием пиролизной жидкости. Мелкодисперсный уголь и неконденсирующиеся пиролизные газы могут быть использованы в качестве топлива для энергоснабжения процесса.

Второй стадией является энергетическое использование пиролизной жидкости методом сжигания. При этом пиролизная жидкость, после предварительной подготовки,

заключающейся в фильтрации и предварительном нагреве, распыливается с помощью воздуха в камеру сгорания. В ходе горения пиролизной жидкости происходят реакции испарения летучих паров, их гомогенное горение с газовой фазе, термическое разложение материала капли с образованием парогазовой смеси и коксового остатка. Заключительной стадией горения пиролизной жидкости является выгорание коксового остатка.

Рис. 1 - Расчётная схема процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования

Механизм химических превращений в ходе процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования (рис. 2) включает в себя 3 первичные (реакции 1, 2 и 3) и 2 вторичные (4 и 5) реакции термического разложения древесины, одну (6) реакцию термического разложения пиролизной жидкости и 5 (7-11) реакций выгорания коксового остатка (углерода).

Для моделирования реакций термического разложения древесины были использованы данные, полученные Ди Блази [2]. Константы химической реакции термического разложения пиролизной жидкости были определены экспериментально с использованием метода термического анализа пиролизной жидкости и последующей обработкой экспериментальных данных методом Коутса и Редферна [3]. Скорости реакций выгорания углерода были получены с использованием данных профессора Померанцева [4].

ДРЕВЕСНЫЙ

УГОЛЬ

Рис. 2 - Механизм химических превращений в ходе процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования

Анализ результатов моделирования показывает, что оптимальными значениями температуры термической переработки древесины для получения максимального выхода пиролизной жидкости является 400-550°С (рис. 3), а влажность сырья не должна превышать 10% (рис. 4).

Температура, °С

Рис. 3 - Зависимость выхода продуктов термического разложения древесины от температуры пиролиза

Сравнение теоретических и экспериментальных данных позволили сделать вывод об адекватности разработанной модели реальному процессу. Максимальное расхождение составило 22%.

Обработка результатов термического анализа с использованием метода Коутса-Редферна позволила получить значения кинетических констант для реакции термического разложения пиролизной жидкости. Было определено, что процесс описывается как реакция 3го порядка, фактор частоты составляет 2,33-103 с"1, энергия активации - 3,966-МДж/кг. Тепловой эффект реакции по трём стадиям термического разложения пиролизной жидкости составляет 1007; 95,6 и 287 Дж/г соответственно.

Результаты моделирования показали, а экспериментальные исследования подтвердили, что с увеличением температуры и давления размер капли уменьшается, что приводит к интенсификации процесса энергетического использования, однако следует отметить, что в свою очередь увеличение давления первичного воздуха целесообразно до значения 120 кПа,

т.к. дальнейшее увеличение не приводит к существенному уменьшению размера капли, однако требует повышенных энергозатрат для создания давления.

л

н

о

о

X

са

к

12

(D

Влажность сырья, %

Рис. 4 - Зависимость эффективности совокупности процессов термической переработки древесины в пиролизную жидкость и её энергетического использования от влажности исходной древесины

Экспериментальные исследования сжигания пиролизной жидкости позволили определить верхний предел предварительного подогрева топлива, при котором происходит интенсивное кипение, что приводит к ухудшению условий воспламенения, распыливания и горения вплоть до их невозможности. Был определён также нижний предел температуры предварительного подогрева топлива, ниже которого распыливание затруднено вследствие высокой вязкости. Оптимальный диапазон предварительного подогрева топлива составил 60-80°С.

В результате исследований процесса горения пиролизной жидкости было определено, что температура по длине камеры сгорания падает очень быстро. Следовательно, для обеспечения эффективности сжигания необходимо оборудовать камеру сгорания теплоизоляцией для обеспечения температуры, достаточной для поддержания горения. С увеличением расхода топлива температура в камере сгорания повышается, а содержание кислорода понижается. Это объясняется тем, что увеличение расхода топлива ведёт к более интенсивному горению топливной смеси, что повышает температурный уровень процесса, но для её горения требуется большее количество кислорода, что снижает его содержание. При повышении расхода воздуха для вторичного дутья температура падает, что объясняется разбавлением распыляемой топливной смеси воздухом, а содержание кислорода растёт, т. к. дополнительный вторичный воздух разбавляет распылённую топливную смесь и продукты сгорания.

Литература

1. Забелкин, С.А. Энергетическое использование пиролизной жидкости / С.А. Забелкин, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров, Ф.И. Мулламухаметов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №10. - С. 369-375.

2. Di Blasi, C. Modeling chemical and physical processes of wood and biomass pyrolysis / Colomba Di Blasi // Progress in Energy and Combustion Science. - 2008. - Vol. 34. - Pp. 47-90.

3. Уэндландт, У. Термические методы анализа. - М.: Мир, 1988. - 526 с.

4. Основы практической теории горения: Учебное пособие для вузов / В.В. Померанцев и др.; Под ред. В.В. Померанцева.- Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. - 312 с.

© С. А. Забелкин - асп. каф. химической технологии древесины КНИТУ, szabelkin@gmail.com; А. Н. Грачёв - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; В. Н. Башкиров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической технологии древесины КНИТУ.