Экспериментальное исследование термической переработки древесины

С. А. Забелкин, М. А. Таймаров, К. Х. Гильфанов,

А. Н. Грачёв

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ

Ключевые слова: термическая переработка древесины, экспериментальная установка.

Представлена установка для экспериментального исследования процесса термического разложения древесины, позволяющая определить материальный баланс процесса, а также изучить влияние скорости нагрева и конечной температуры пиролиза на выход продуктов

Keywords: thermal decomposition of wood, experimental plant.

Experimental plant for research of thermal decomposition of wood is introduced. The plant allows investigating material balance of the process and influence of heating rate and final temperature ofpyrolysis to the yield of the products

С целью экспериментального исследования стадии термического разложения древесины в условиях быстрого пиролиза [1] была разработана и изготовлена экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1, а общий вид на рис. 2. Установка для исследования термического разложения древесины при кондуктивном подводе тепла состоит из: А - блока продувки системы инертным газом, Б -реактора, В - трансформатора с регулировочным блоком, Г - блока измерения температуры и обработки данных, Д - блока измерения объёма газообразных продуктов пиролиза.

Рис. 1 - Схема экспериментального стенда для исследования процесса быстрого пиролиза древесины

Блок продувки системы состоит из баллона с инертным газом (азотом) 1, редуктора и трёхходового крана 7. Реактор представляет собой цилиндрическую стальную трубку 2, герметично закрываемую с двух сторон резиновыми пробками. Внутри трубки установлен нагреватель, который состоит из двух токоподводящих электродов 6, между которыми расположена нержавеющая сетка 4. Нержавеющая сетка с размером ячейки 0,16 мм обеспечивает равномерный нагрев, и термическое разложение сырья в реакторе при заданных режимных параметрах.

Токоподводящие электроды 6 выполнены в виде медных трубок с припаянными к концам медными зажимными пластинами для крепления сетки. Подача электрического тока осуществляется трансформатором 9. Сила тока, а соответственно скорость и температура нагрева устанавливаются регулировочным блоком. С целью измерения температуры во вре-

мя процесса к сетке вплотную крепится термопара. Показания термопары через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) записываются на компьютере с частотой 100 Гц. Выделяющиеся в процессе пиролиза газы собираются в мерном цилиндре. Электроды, термопара, трубки для отвода и подвода газов герметично закреплены в резиновых пробках реактора.

Рис. 2 - Общий вид установки быстрого пиролиза: 1 - баллон с азотом, 2 - реактор, 3 - видеокамера, 4 - тиристор, 5 - мерная колба, 6 - АЦП

Эксперимент на представленной установке осуществлялся следующим образом [2]. На первом этапе осуществляется подготовка навески сырья, упакованной в нагревательную сетку. Сетка сгибается втрое для получения формы, необходимой для размещения навески. Взвешиванием фиксируется исходная масса сетки.

В полученную форму равномерно распределяется навеска измельченной сухой древесины массой около одного грамма. Края сетки с навеской загибаются в виде плоской трубки и уплотняются в прессе с усилием не более 5 тонн для обеспечения более равномерного и плотного контакта сетки с материалом по всей длине сетки. Далее сетка с навеской вновь взвешивается на аналитических весах с точностью 0,0001 г.

Затем подготовленная навеска сырья размещается в реакторе, при этом осуществляется установка сетки с навеской винтами в зажимах электродов и фиксации термопары на сетке. Перемещением электродов в отверстиях резиновой пробки устанавливается необходимая натяжка сетки. Соб-

ранный нагревательный элемент с помощью пробки плотно устанавливается в корпус. С другой стороны корпус герметично закрывается второй пробкой со штуцером для подачи азота. Далее для удаления кислорода воздуха вся система продувается азотом. С этой целью перед началом процесса посредством трёхходового крана в систему на несколько секунд осуществляется подача азота из баллона. После вытеснения воздуха из системы трёхходовой кран устанавливается в положение прекращения подачи азота. На компьютере активируется система фиксации температуры и видеофиксации расхода неконденсируе-мого пиролизного газа.

а б

Рис. 3 - Мерный цилиндр в процессе эксперимента: а - начало эксперимента, б - при термическом разложении навески

Далее при определённом режиме нагрева, который выставляется регулировочным блоком, осуществляется термическое разложение навески сырья с регистрацией температуры и видеофиксацией расхода неконденсируемого газа. На рис. 3 представлены изображения, полученные в процессе эксперимента, которые показывают увеличение количества пиролизного газа в мерном цилиндре. После окончания термического разложения и охлаждения реактора осуществляется аккуратный демонтаж нагревательного элемента, с дальнейшим взвешиванием навески с образовавшимся углистым остатком. Корректировка расхода газа и учёт температурного расширения инертного газа в системе при различных температурных режимах осуществлялся путём вычитания из экспериментальных значений изменения объёма газа при эквива-

лентном нагреве пустого реактора. Варьирование температурных режимов в ходе экспериментов осуществлялось в соответствие с данными, представленными в таблице 1.

В результате проведённых исследований фиксировалось изменение массы исходного продукта в процессе пиролиза в углистый остаток и объём выделившихся пиролизных газов. Полученные данные позволили определить материальный баланс процесса термохимического разложения при различных режимах, а также выявить влияние скорости нагрева и конечной температуры пиролиза на выход продуктов.

Таблица 1 - Температурные режимы термического разложения древесных частиц при кондуктив-ном подводе тепла

Литература

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

2. Забелкин, С.А. Переработка древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование / С.А. Забелкин, А.Н. Грачёв, В. Н. Башкиров // Вестник Казан. технол. ун-та - 2011. - Т. 14, №12. - С. 39-42.

м ж р № Конечная температура термического разложения, °С Скорость нагрева, °С/с Продолжительность процесса, с

1 350 15 22,6

2 500 28 21,8

3 620 50 18

4 700 53 16,6

5 750 67 14,8

6 850 81 11,6

© С. А. Забелкин - асс. каф. химической технологии древесины, КНИТУ, szabelkin@gmail.com; М. А. Таймаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. котельных установок и парогенераторов КГЭУ; К. Х. Гильфанов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. автоматизации технологических процессов и производств КГЭУ; А. Н. Грачев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ.