Разработки КНИТУ в области газификации древесных материалов

УДК 674.816.2

Р. Г. Сафин, Н. Ф. Тимербаев, Д. Ф. Зиатдинова, Д. А. Ахметова, Т. О. Степанова

РАЗРАБОТКИ КНИТУ В ОБЛАСТИ ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: термическое разложение, генераторный газ, синтез-газ, газификация, температура, древесные отходы,

деструкция, термохимическое разложение.

В настоящей статье представлен обзор исследований, проведенных на кафедре переработки древесных материалов, по газификации древесных отходов. Отражены перспективы применения газификации древесных отходов для получения таких продуктов как метанол, диметиловый эфир и моторное топливо.

Keywords: thermal expansion, producer gas, syngas, gasification, temperature, wood waste, destruction, thermochemical decomposition.

The review of the researches conducted on chair ofprocessing of wood materials on gasification of wood waste is presented in the present article. Prospects of application of gasification of wood waste for receiving such products as methanol, dimethyl ether and motor fuel are reflected.

Введение

Первые публикации по газификации органических отходов появились в КНИТУ в 2008 г. [1,2], которые были обобщены в работе А.Р. Садртдинова [3]. На основе результатов исследований были разработаны установки:

- для газификации высоковлажных древесных отходов [4], состоящих из коры и зелени хвойных пород древесины.

- для высокотемпературной переработки отходов, содержащих токсичного вещества [5].

- для газификации органических отходов с дополнительной подачей древесного угля в восстановительную зону [6].

По результатам исследований [7^16] был получен грант по ФЦП «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности» и защищена докторская диссертация Н.Ф. Тимербаевым [17].

Основная часть

В работах З.Г. Саттаровой [18^21] проведены первые исследования по новому перспективному направлению переработки древесных материалов в генераторный газ, по составу максимально приближенному к синтез-газу. На рис. 1 приведена установка переработки древесных отходов в синтез-газ путем паровой конверсии [22].

Установка работает следующим образом. Древесные отходы шнековым транспортером 2 подаются в конвективную сушильную камеру 6, где сушатся топочным газом. Оттуда они шнековым шпателем 11 подаются в зону нагрева и начинают обугливаться при температуре топочных газов равном 250350 0С, затем отходы попадают в зону пиролиза 13, где за счет экзотермической реакции нагреваются до 1700С и разлагаются на древесный уголь и пиролиз-ные газы. Древесный уголь поступает с помощью шнекового транспортера 14 в камеру газогенерации 15, а пиролизные газы - сначала в конденсатор смешения 25, а затем в топку 16.

К 2 В I ( 5 JL Z Л Я А Л6

ю

21 31 20 2! 22 23 29 28 27 Фиг. I

Рис. 1 - Схема установки переработки древесных отходов в синтез-газ

В камере газогенерации 15 при температуре 7001000 0С происходит паровой реформинг, в результате чего образуется синтез-газ. В конденсаторе смешения накапливается жижка, которая идет на дальнейшую переработку.

Полученный синтез-газ не требует дополнительной очистки, его направляют на производство метанола. Отработанный сушильный агент через трубу 5 выбрасывается в атмосферу. Разработанный способ получения синтез-газа высокой степени чистоты с содержанием оксида углерода 50%, водорода 47%, непрореагировавшего водяного пара 3% имеет замкнутый цикл и является экологичным, в связи, с чем снижаются расходы на его производство.

Дальнейшие исследования, приведенные Хиса-меевой А.Р. [23^25], посвященные разработке термохимической переработки древесных отходов в метанол, и обобщенные в работе [26] позволили разработать новый способ производства метанола из древесных отходов [27].

При переработке влажных древесных отходов требуются дополнительные энергетические затраты. В связи с этим была разработана установка производства метанола из влажных древесных отходов (см. рис. 2) [28].

ных древесных отходов

Древесные отходы в разработанной установке сушатся конвективно в сушильной камере 3, затем их пиролизуют в шнековой камере 7, встроенной в топку 8. Из сепаратора пирогазов 9 древесный уголь поступает в паровой газификатор 10, где получается синтез-газ. Затем синтез-газ после циклона 12 и газгольдера 15, компремируясь компрессором 14, поступает в реактор каталитического синтеза 26 и частично превращается в метанол. После сепарации в сепараторе 21 от непрореагировавше-го синтез-газа и побочных продуктов отделяется в ректификационной колонне 21 от воды и собирается в сборнике 25. Основная часть газовой фазы, после жидкостного сепаратора 21, подается на рециркуляцию с помощью эжектора 13. Остальная часть подается через сепаратор твердой фазы 9 в топку 8. Сепарированная вода из ректификационной колонны 21 нагревается в рекуперативном теплообменнике 17 и подается в парогенератор 18, встроенный в реактор 26. Часть образовавшегося пара поступает в паровой газификатор 10, а другая часть подается в кубовую зону ректификационной колонны.

Разработанная установка позволит получать метанол в процессе безотходного производства без использования дополнительных энергетических ресурсов.

На основе синтеза продуктов газогенерации (синтез-газа) на кафедре ПДМ разработана установка для получения диметилового эфира (см. рис. 3) [29].

Фиг. I

Рис. 3 - Схема установки для производства диметилового эфира

В этой установке древесные отходы сначала сушатся конвективно в режиме противотока в сушильной камере 5. Из пиролизной камеры пирога-зы поступают в топку 20, а древесный уголь обрабатывает в режиме противотока водяным паром в газогенераторе 23. Образовавшийся синтез газ, содержащий окись углерода 47-50 %, водород 4447 %, золу, проходит через циклон 18 и фильтр-холодильник 7 и собирается в газгольдере 9. Из газгольдера после сжигания компрессором 8 синтез газ поступает в реактор каталитический конверсии 11. Смесь продуктов реакции, состоящая из диметилово-го эфира, метанола, двуокиси углерода и непрореаги-ровавшего синтез-газа охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике 17, а затем за счет дросселирования в устройстве 13. В отстойном сепараторе 15 из охлажденной смеси сепарируется жидкая фаза, содержащая метанол и воду, которая направляется в ректификационную колонну 16. Метанол возвращается в газгольдер 9, а вода нагревается в поверхностном конденсаторе 14 превращает в пар в топке 20 и подается в газогенератор 23. Газовая фаза из сепаратора 15 охлаждается в конденсаторе 14 и из нее выделяется целевой продукт - диметиловый эфир. Из несконденсировавшихся газов, состоящих из синтез-газа и двуокиси углерода, в конденсаторе 12 выделяется углекислый газ, который после рекуперативного теплообменника 17 выбрасывается через выбросную трубу 6. Энергия топочных газов используется для проведения пиролиза и сушки древесных отходов. Выход диметилового эфира составляет 58-60 %.

В соответствии с ФЦП (гос. контракт № 16.525.11.5008) создана установка переработки древесных отходов в моторное топливо (рис. 4) [6].

Рис. 4 - Установка переработки древесных отходов в моторное топливо

Конверсия древесных отходов в моторное топливо происходит следующим образом. Отходы лесопиления после предварительной сушки в камере 2 до влагосодержания 25-30% попадают в прямоточный газогенератор 4 и окисляются воздухом, обогащенным кислородом в сепараторе 9. В восстановительную зону газификатора дополнительно подается древесный уголь с температурой 500-5500С в смеси с селективным катализатором, способствующим увеличению содержания окиси углерода в генераторном газе. Образовавшийся генераторный газ очищается от пыли в циклоне 15 и ру-

кавном фильтре - 19, охлаждается в рекуперативном теплообменнике 18. Далее, в сепараторе 20 из генераторного газа сепарируются примеси (метан, двуокись углерода, вода), которые отводятся в зону окисления газификатора. Произведенный таким образом синтез газ компримируется компрессором 33 и подается в реактор каталитической переработки 21. Продукты реакции охлаждаются в рекуперативном теплообменнике 22 и холодильнике 23 и поступают в сепаратор высокого давления 28, затем в сепаратор низкого давления 25 и отстойник 26. Выделенную бензиновую фракцию подают в выпарной аппарат 29 для сепарации от легких углеводородов. Легкие фракции с сепараторов 24,25,27,29 через линию сдувочных газов 28 подают в зону окисления газификатора 4 через фракции. Результаты испытания созданной установки показали возможность конверсии древесных отходов в моторное топливо, но при настоящих ценах на нефть, такое производство пока остается нерентабельным.

Заключение

Анализ результатов исследований [22^29] показывает, что имеется большая перспектива переработки древесных отходов в новые органические вещества и продукты. Однако при малых производительно-стях установок экономическая составляющая таких разработок при низких ценах на нефть будет сдерживать практическую реализацию данного научного направления из-за нерентабельности таких производств.

Литература

1. Садртдинов, А.Р. Расчет состава газа на различных стадиях газификации твердых бытовых отходов [Текст] / А.Р. Садртдинов А.Р., И.А. Кузьмин, Н.Ф. Тимербаев // Материалы X международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2009», УГТУ, Ухта, 2009. - Ч.4.-С.85-87.

2. А.Р. Садртдинов Совершенствование техники и технологии процесса газификации отходов деревообработки / Автореферат дисс. канд. техн. наук, Казанский государственный технологический университет, Казань, 2011 г. - 16 с.

3. Патент РФ № 2507238. Газогенератор для газификации влажного топлива/ Р.Р. Сафин, Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Е.Ю. Разумов и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 20.06.2012 Бюл. № 5.

4. Патент РФ № 2481528. Высокотемпературная установка для термической переработки твердых медицинских отходов / Н.Ф. Тимербаев, Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 10.05.2013 Бюл. № 5.

5. Патент РФ № 2333238. Способ переработки органических отходов (варианты) / В.М. Мысов, К.Г. Ионе, В.П. Лукашев, С.П. Ващенко и др. Закрытое акционерное общество "Сибирская технологическая компания "Цео-сит" (ЯИ), Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) (ЯИ), опубликовано 10.09.2008 Бюл. № 5.

6. Патент РФ № 2489475 Способ переработки органических отходов/Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Д.Ф. Зиатди-

нова, Р.Р. Сафин и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 10.08.2013 Бюл. № 5.

7. Тимербаев, Н. Ф. Техника и технологии термической переработки отходов деревообрабатывающей промышленности: Монография [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова. - Казань : КГТУ, 2010. - 172 с.

8. Тимербаев, Н.Ф. Комплексная энерготехнологическая переработка древесных отходов с применением прямоточной газификации: Монография [Текст] / Н.Ф. Тимербаев. - Казань : КГТУ, 2011. - 246 с.

9. Тимербаев, Н.Ф. Разработка энергосберегающей технологии газогенерации древесных отходов [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева, // Известия высших учебных заведений «Проблемы энергетики». -2009. - № 5-6. - С. 86-89.

10. Тимербаев, Н. Ф. Газификация органических видов топлива [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 1. - С.326-330.

11. Тимербаев, Н. Ф. Моделирование процесса прямоточной газификации древесных отходов [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, А.Р. Хисамеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2011 г. - № 7. -С.75-80.

12. 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. -№ 8. -С.90-96.

13. Тимербаев, Н.Ф. Совершенствование процесса газификации древесных отходов с целью получения моторного топлива [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р Хисамеева, Д.А. Ахметова, А.Г. Мухаметзянова // Вестник Казанского технологического университета. -2011. -№ 20. -С.60-64.

14. Тимербаев, Н. Ф. Моделирование процесса энерготехнологической переработки древесных материалов методом прямоточной газификации [Текст] / Н.Ф. Тимербаев // Вестник Казанского технологического университета. -2012 г. -№ 1. -С.94-98.

15. Тимербаев, Н.Ф. Современное состояние энерготехнологической переработки древесных материалов методом газификации. [Текст] / Н.Ф. Тимербаев// Вестник Казанского технологического университета. -2012. -№ 1. -С.118-121.

16. Тимербаев, Н.Ф. Математическое описание процесса термической переработки влажных древесных отходов методом прямоточной газификации [Текст] / Н.Ф. Тимербаев // Вестник Казанского технологического университета. -2012. -№ 1. -С.101-105.

17. Н. Ф. Тимербаев Комплексная энерготехнологическая переработка древесных отходов с применением прямоточной газификации / Автореферат дисс. докт. техн. наук, Казанский государственный технологический университет, Казань, 2012. - 38 с.

18. З.Г. Саттарова Совершенствование технологии переработки древесных отходов в генераторный газ / Автореферат дисс. канд. техн. наук, Казанский государственный технологический университет, Казань, 2013. - 16 с.

19. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов дерево-переработки,

содержащих токсичные вещества [Текст] / Н.Ф. Тимерба-ев, Р.Г. Сафин, З. Г. Саттарова // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 4. -С. 79-83.

20. 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.

21. 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.

22. Патент РФ № 2507238 Газогенератор для газификации влажного топлива/ Р.Р. Сафин, Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Е.Ю. Разумов и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 20.06.2012 Бюл. № 5.

23. Тимербаев, Н.Ф. Совершенствование техники и технологии процесса газификации высоковлажных древесных отходов: монография / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева, Т.Д. Исхаков // М-во образ. и науки России, Казанский национальный исследовательский технологический университет. - Казань: КНИТУ, 2012. - 95 с.

24. Тимербаев, Н.Ф. Газификация влажных древесных отходов [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хи-самеева, Д. А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 17. - С.195-199.

25. Сафин, Р.Г. Разработка энергосберегающей технологии газогенерации древесных отходов [Текст] / Р.Г., Сафин, Н.Ф. Тимербаев, М.В. Шулаев, М.В. Хузеев, А.Р. Хисамеева // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2011. - №11-12. - С.63-70.

26. А. Р. Хисамеева Разработка техники и технологии термохимической переработки влажных древесных отходов в метанол / Автореферат дисс. канд. техн. наук, Казанский государственный технологический университет, Казань, 2013 г. - 16 с.

27. Патент № 2478604 Способ получения метанола КНИ-ТУ опубликовано 10.04.2013 Бюл. № 10.

28. Патент РФ № 2522560 Способ получения метанола / Н.Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, Д. Ф. Зиатдинова, Р. Р. Са-фин и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 20.07.2014 Бюл. № 5.

29. Патент № 2526622 Способ получения диметилового эфира / Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 27.08.2014 Бюл. № 5.

© Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, зав. кафедрой переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; Н. Ф. Тимербаев - д.т.н., профессор кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, tnail@rambler.ru; Д. Ф. Зиатдинова - д.т.н., доцент каф. ПДМ, ziatdinova@rambler.ru; Д. А. Ахметова - к.т.н., доцент каф. ПДМ, pdm_d@list.ru; Т. О. Степанова - магистрант каф. ПДМ, stepanova-211190@yandex.ru.

© R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department of processing of wood materials КNRТU, safin@kstu.ru; N. F. Timerbaev - doctor of engineering, professor of chair of processing of wood materials КNRТU, tnail@rambler.ru; D. F. Ziatdinova - doctor of engineering, professor of chair of processing of wood materials, ziatdinova@rambler.ru; D. A. Ahmetova -candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials, pdm_d@list.ru; ^ О. Stepanova - undergraduate of chair of processing of wood materials, stepanova-211190@yandex.ru.