Применение процесса быстрого абляционного пиролиза древесных отходов для выработки жидкого биотоплива

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Значительное отрицательное влияние имеет зазор между лопастями смесителя и барабаном. Остальные факторы и сочетания их несущественно влияют на этот показатель.

На рис. 5 показаны сечения поверхности отклика о плоскостями X4 = -1; X4 = +1.

На рис. 5а видно, что с увеличением коэффициента заполнения и продолжительности осмоления предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти возрастает при условии, что зазор h = 30 мм. В этом случае данный показатель достигает требуемого значения во всем диапазоне исследования, т.е при Кз = 20-60 % и t = 5-9 мин. С увеличением Кз и t прочность на растяжение повышается (см. рис. 5б). Требуемая прочность при Кз = 20 % достигается при t = 9 мин., а при Кз = 60 % достаточно t = 6,5 мин. Из рис. 5в следует, что требуемая прочность на растяжение при заданных условиях не соблюдается.

Уравнение регрессии для разбухания по толщине имеет следующий вид Y3 = 14,72 - 1,64Х1 - 2,11Х2 - 18,88X3 + +11,51X4 + 9,7Х1Х2 + 2,58X1X3 - 0,4Х1Х4.

Из уравнения следует, что наибольшее влияние на разбухание плит имеет окружная скорость вращения лопастей. С ее увеличением разбухание уменьшается. Значительное влияние оказывают зазор между лопастями и

барабаном, а также совместное воздействие коэффициента заполнения и продолжительности осмоления. Остальные факторы незначительно влияют на разбухание плит.

В натуральных переменных уравнения имеют следующий вид

аи = -21,67 + 0,52Кз + 1,8-t + 9,08 V +

+ 0,024h - 0,016K3-t - 0,08К>Е - 0,003K3h; а = 0,026 - 0,0012Кз + 0,0061-t - 0,0853V -- 0,032h + 0,0004K>t + 0,003К^Е;

AS = 140,4 - 2,02Кз - 10,75-t - 16,11V +

+ 0,82h + 0,24Кз^ + 0,08К>Е - 0,001K3h.

Результаты исследований показывают возможность применения лопастного смесителя для осмоления крупноразмерной стружки. Наиболее рациональные режимы, обеспечивающие хорошее осмоление и высокое качество плит, скорость вращения лопастей 5 м/с, коэффициент заполнения 20 %, продолжительность осмоления 7-9 мин., зазор между лопастями и барабаном смесителя 30-30 мм.

Библиографический список

1. Татарчук, Г.М. Направления совершенствования оборудования для осмоления древесных частиц / ГМ. Татарчук, В.М. Рябков. - М., ВНИПИЭИлеспром, 1982.

2. Рябков, В.М. Модель измельчения древесных частиц в процессе смешивания / В.М. Рябков // Автоматизация и комплексная механизация процесса деревообработки: сб. науч. тр. МЛТИ. - Вып. 186. - 1986.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССА БЫСТРОГО

абляционного пиролиза древесных отходов для выработки жидкого биотоплива

А.Н. ГРАЧЕВ, доц. каф. переработки древесных материалов Казанского ГТУ, канд. техн. наук, Ю.П. СЕМЕНОВ, проф. каф. теплотехникиМГУЛ, д-р техн. наук,

А.Н. НИКОЛАЕВ, проф. каф. переработки древесных материалов Казанского ГТУ, д-р техн. наук, Н.Ф. КАШАПОВ, проф. каф. переработки древесных материалов Казанского ГТУ, д-р техн. наук, А.А. МАКАРОВ, асп. каф. переработки древесных материалов Казанского ГТУ

andri@hitv.ru, xp8519@rambler.ru, makar3325@rambler.ru

В последние годы во всем мире значительно вырос интерес к химическому и энергетическому использованию целлюлозосодержащих материалов, таких как древесная биомасса растительного происхождения. В литературе представлен широкий спектр методов энергетического использования различных видов биомассы - от прямого сжигания с получением тепла до

достаточно сложной химической переработки с получением из биомассы моторных топлив [1]. В настоящее время наиболее перспективным, с экономической и экологической точек зрения, считается быстрый пиролиз биомассы с получением жидких продуктов, которые в дальнейшем могут быть использованы как заменители котельного топлива.

88

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Нагретая движущаяся поверхность Рис. 1. Схема абляционного пиролиза

Схема абляционного пиролиза представлена на рис. 1. При быстром абляционном пиролизе биомассы происходит мгновенная передача тепла от нагретой движущейся поверхности биомассе. При этом значительная часть биомассы преобразуется в парогазовую смесь, большая часть которой (до 75 %) конденсируется, образуя жидкие продукты.

В процессе абляционного пиролиза между образцом биомассы и движущейся поверхностью образуется слой жидкости, который, видимо, образуется в результате плавления биомассы [2]. Жидкость постоянно уносится движущейся поверхностью абляции, образуя тем самым бесконечно малый слой между образцом биомассы и поверхностью абляции. Уносимая жидкость вторично разлагается и испаряется на поверхности абляции, в удалении от образца образуя парогазовую смесь.

С целью исследования процесса быстрого абляционного пиролиза биомассы авторами, при содействии гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых № МК-5209.2007.8, был проведен ряд исследований, направленных на идентификацию механизма процесса и определение его количественных и качественных характеристик.

Исследования осуществлялись на экспериментальном стенде, принципиальная схема которого представлена на рис. 2. Экспериментальный стенд для исследования быстрого абляционного пиролиза включает реакционную камеру 1, систему пневматической подачи образца, систему управления и регистрации данных, конденсатор 2, газгольдер 3, баллон с инертным газом 4. Реакционная камера 1 теплоизолирована и содержит

вращающийся в вертикальной плоскости на валу 5 диск 6. Вал 5 установлен на двух опорах качения и кинематически связан с электродвигателем 7 клиноременной передачей.

Параллельно поверхности диска 6, со стороны вала 5, в реакционной камере 1 установлен трубчатый электронагреватель 8. В нижней части камеры расположены патрубки отвода парогазовой смеси 9 и твердой фазы. Cбоку реакционной камеры 1 установлен патрубок подвода инертного газа 10, который сообщается трубопроводом через понижающий редуктор с баллоном, содержащим инертный газ 4. Герметизация реакционной камеры осуществляется крышкой 11, которая включает в себя держатель образца 12, выводы для проводов измерительных устройств, потенциометр 13 и пневмоцилиндр 14. Держатель образца 12 закреплен на двух направляющих скольжения с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоской поверхности диска 6, и соединен жесткой связью со штоком пневмоцилиндра 14 и ползунком потенциометра 13. Испытуемый образец 15 закрепляется в держателе образца 12 с помощью затяжного винта. Перемещение держателя образца 12 и создание заданного контактного усилия на поверхности образца 15 осуществляется с помощью системы пневматической подачи образца, которая включает в себя последовательно соединенные: компрессор 16, ресивер 17, регулятор давления 18, манометр 19, пневмораспределитель 20 и пневмоцилиндр 14.

Патрубок отвода парогазовой смеси 9 реакционной камеры 1 сообщается теплоизолированным трубопроводом с входным патрубком конденсатора 2. Конденсатор 2 состоит из последовательно соединенных теплообменника 21 и сборника конденсата 22. Подача парогазовой смеси из реакционной камеры 1 осуществляется в трубное пространство теплообменника 21. Межтрубное пространство теплообменника 21 соединяется с линией циркуляции хладагента (вода).

Сборник конденсата 22 представляет собой герметичную съемную емкость цилиндрической формы, снабженную радиальным патрубком отвода осушенных газов, который соединен гибким трубопроводом с газгольдером 3.

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 3/2009

89

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Газгольдер 3 представляет собой гибкую камеру 23, расположенную внутри герметичной жесткой оболочки 24, при этом внутреннее пространство гибкой камеры 23 сообщается патрубком через запорно-регулирующую арматуру 25 с патрубком отвода осушенных газов конденсатора 2 и штуцером для отбора проб. Оболочка 24 газгольдера 3 снабжена двумя патрубками, вакуумирования и нагнетания, которые через вентили 26, 27 соединены с вакуумным насосом 28 и ресивером 17 компрессора 16 соответственно.

Система управления и регистрации данных позволяет управлять частотой вращения и температурой диска 6 и осуществлять фиксацию мгновенных значений температуры и частоты вращения диска 6, температурных полей испытуемого образца 15 и линейного перемещения держателя образца 12. Система управления и регистрации данных включает в себя частотный преобразователь VFD-B 29, регулятор мощности 30, терморегулятор 31, блок питания 32, аналогово-цифровой

преобразователь (АЦП) 33, компьютер 34 со специальным программным обеспечением, термоэлектрические преобразователи (термопары) 35 и 36, потенциометр 13. Фиксация экспериментальных данных осуществляется с помощью АЦП 33, который позволяет преобразовывать в цифровой вид и фиксировать данные 32-х независимых каналов с частотой дискретизации до 50 кГц. Полученные цифровые значения передаются посредством интерфейса USB 2.0 в память компьютера 34 и затем сохраняются в виде текстовых файлов.

Дальнейшая обработка сохраненных экспериментальных данных позволяет сделать заключение об изменении режимных параметров процесса во времени. Фиксация температуры внутри испытуемого образца 15 осуществляется термопарами 35, подключенными к аналоговому входу АЦП 33. Термопары 35 устанавливаются в подготовленные отверстия образца 15 на заданном по длине/ толщине расстоянии. Измерение температуры диска 6 осуществляется с помощью термопары

90

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

36, которая имеет параллельное подключение к аналоговому входу АЦП 33 и терморегулятору 31. Фиксация значений температуры диска 6 осуществляется АЦП 33, а регулирование - терморегулятором 31 и регулятором мощности 30, соединенными с электронагревателем 8. Зависимость линейного перемещения испытуемого образца 15 во времени, а равно и изменение размера образца 15 фиксируется изменением разности потенциалов на контактах потенциометра 13. Исходная разность потенциалов на потенциометре 13 создается блоком питания 32, а ее изменение вследствие перемещения образца 15 фиксируется АЦП 33. Управление и регистрация значений частоты вращения диска 6 обеспечивается частотным преобразователем 29.

В результате обработки проведенных экспериментальных данных была получена зависимость скорости абляционного пиролиза (^абл, м/с) и удельных энергетических затрат на процесс (q, кДж/м3) от скорости смещения образца биомассы относительно поверхности абляции (U м/с), представленная на рис. 3.

1,2

1

0,8 о

0,6 с

0,4 0,2 0

Рис. 3. Зависимость скорости абляционного пиролиза и удельных энергозатрат от скорости смещения образца относительно поверхности абляции

Как видно из полученных зависимостей, скорость абляционного пиролиза (иабл, м/ с) с увеличением скорости смещения образца биомассы относительно поверхности абляции (U м/с) значительно увеличивается с последующей стабилизацией.

Однако с увеличением скорости смещения образца биомассы относительно поверхности абляции увеличиваются и удельные энергетические затраты на процесс абляционного пиролиза. Данные обстоятельства поз-

воляют предположить, что существуют оптимальные значения скорости смещения образца биомассы относительно поверхности абляции с минимальными удельными энергетическими затратами на процесс механоактивации.

С целью определения рациональных режимных параметров процесса быстрого абляционного пиролиза была поставлена задача минимизировать функцию удельных энергетических затрат на процесс, которая была задана в виде

q=Np / 0)

где S - площадь контакта образца биомассы с поверхностью абляции, м2;

N - мощность, затрачиваемая на трение в процессе быстрого абляционного пиролиза, которая в ходе экспериментальных исследований определялась ваттметром в зависимости от различных значений скорости смещения образца относительно поверхности абляции, кВт. Представленная на рис. 2 зависимость удельных энергетических затрат на процесс быстрого абляционного пиролиза от скорости смещения образца относительно поверхности абляции, полученная в результате исследований, показывает, что удельные энергетические затраты на процесс с увеличением скорости смещения образца относительно поверхности абляции снижаются до достижения оптимального значения с последующим монотонным увеличением.

Минимальное значение удельных энергозатрат на процесс наблюдается при скорости смещения образца биомассы относительно поверхности абляции равной 1,32 м/с. Дальнейшее увеличение скорости смещения образца биомассы относительно поверхности абляции приводит к монотонному увеличению энергетических затрат на механоактивацию процесса.

Библиографический список

1. Гелетуха, Г.Г. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы путем быстрого пиролиза. - Ч. 1 / Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1999. - № 2. - С. 3-30.

2. Lede, J. Fast pyrolysis of wood: direct measurement and study of ablation rate / Jacques Lede, Janis Panagopoulos - Laboratoire des Sciences du Genie Chimique, CNRS-ENSIC, 1, rue Grandville, France

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009

91