Современное состояние энерготехнологической переработки древесных материалов методом газификации

УДК 66.092-977

Н. Ф. Тимербаев

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ГАЗИФИКАЦИИ

Ключевые слова: газификация, отходы деревопереработки, синтез-газ, биомасса, биоэнергетика, деревообработка, энергоэффективность, экономичность, энергоносители.

Рассмотрено современное состояние вопроса энерготехнологической переработки древесных отходов. Проанализированы основные способы газификации, их недостатки и достоинства. Дано описание метода комплексной энерготехнологической переработки древесных отходов, позволяющего достичь максимальную энергоэффективность при переработке высоковлажных древесных отходов.

Keywords: gasification, a woodworking waste, synthesis-gas, a biomass, bio-energetics, a woodworking, power

efficiency, profitability, energy carriers.

The current state of a question of power technological processing of a wood waste is considered. The basic ways of gasification, their lacks and advantages are considered. It allowed allowing to reach the description of a method of complex power technological processing of a wood waste the maximum power efficiency at processing of a damp wood waste.

Современная экономика Российской Федерации имеет ярко выраженный сырьевой характер и более чем на половину состоит из добычи и экспорта углеводородов. Доля продукции лесопромышленного комплекса (ЛПК) в валовом национальном продукте Российской федерации не превышает 5%. Повышение эффективности и

конкурентоспособности

деревоперерабатывающих предприятий в Российской Федерации является одной из приоритетных задач развития экономики.

Одним из факторов, сдерживающих развитие предприятий ЛПК, является низкий уровень их технической оснащенности, приводящий к образованию большого количества древесных отходов. Ежегодно на предприятиях лесопромышленного комплекса России образуются миллионы тонн древесных отходов. Наиболее простым способом утилизации древесных отходов является их термическая переработка путем прямого сжигания с целью получения тепловой энергии. Более сложными, но более эффективными являются методы конверсии древесных отходов в жидкое, либо газовое состояние с получением продуктов, востребованных химической и другими отраслями промышленности. Одним из таких продуктов, который можно получить путем прямоточной газификации древесных отходов, является синтез-газ, широко применяемый в химической промышленности.

Применяемые и разрабатываемые в настоящее время слоевые газификаторы

направлены в основном на получение тепловой энергии и в большинстве своем вырабатывают генераторный газ, забалластированный азотом, парами воды и загрязненный продуктами сухой перегонки и пиролиза древесины. Различные, не слоевые типы газификаторов, позволяют получать более качественный генераторный газ, однако они работают под большим избыточном давлении, либо при высоких температурах процесса, что значительно усложняет их аппаратурное оформление и, как следствие, их стоимость, что делает нерентабельной переработку древесных отходов в условиях малых деревообрабатывающих предприятиях.

Помимо этого, более 70 процентов от общей массы древесных отходов ЛПК имеют высокую влажность, и это значительно осложняет их энерготехнологическую переработку, так как влажность это основной параметр, лимитирующий практически все процессы, протекающие при термохимической переработке древесины [1,2,3].

Вышеперечисленные факторы

обуславливают актуальность разработки технологий комплексной энерготехнологической переработки древесных отходов, которые позволяли бы получать тепловую энергию на технологические нужды предприятий ЛПК, генераторный газ в качестве топлива для существующих котельных агрегатов, либо синтез газ, пригодный для дальнейшего получения из него различных химических продуктов в условиях малых деревообрабатывающих предприятий [4,5].

Для решения данной задачи необходимо создание научно обоснованных технологических решений, позволяющих получить конечные продукты заданного качества. Таким образом, комплексное исследование процессов сушки высоковлажных древесных отходов и переработки их методом прямоточной газификации, разработка методов расчета и аппаратурного оформления технологических процессов комплексной переработки древесных отходов является актуальной задачей имеющей большое значение для экономики России [6,7].

Анализ современного состояния техники и технологии термохимической переработки выявил что термохимические методы переработки древесных отходов делятся на три основных направления: сжигание, пиролиз, газификация. Эти процессы отличаются друг от друга количеством вводимого кислорода в камеру термической переработки и температурой, каждый из этих процессов имеет различное аппаратурное оформление и представляет собой совокупность весьма сложных явлений, включающих в себя множество связанных между собой физико-механических и химических процессов, таких как тепломассообмен, фазовые переходы, процессы переноса в реагирующих газовых смесях и движение среды. Химические процессы, протекающие при термическом разложении древесины, представляют собой комплекс сложных химических превращений термической деструкции высокомолекулярных соединений, состоящих из множества элементарных взаимодействий.

Анализ существующих технологий слоевой газификации отходов деревообработки показал, что газификация включает в себя взаимосвязанные процессы нагрева древесных отходов, их сушки, пиролиза, горения и химической конверсии продуктов горения в генераторный газ. Последовательность процессов зависит от способа газификации, который в свою очередь зависит от требований, предъявляемых к генераторному газу. Для производства генераторного газа, который непосредственно сжигается в котле утилизаторе, применяют противоточный или перекрестный ток. При необходимости получения более чистого генераторного газа, например для сжигания в двигателях внутреннего сгорания, либо использования в качестве химического сырья, применяется противоточный режим.

Для реализации в условиях малых деревообрабатывающих предприятий в настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является технология прямоточного процесса газификации. Для математического описания процессов, протекающих при прямоточной газификации, может быть использована общая система нелинейных дифференциальных уравнений тепло-массопереноса, осложненного

химическими реакциями, характеризующаяся дополнительными условиями для

рассматриваемых ситуаций, а также различной формулировкой начальных и граничных условий. Общая теория переноса вещества и энергии служит теоретической основой аналитических и экспериментальных

исследований процессов термической переработки древесных частиц.

Для управления процессами газификации древесных отходов, с целью получения продукт-газа с заданными свойствами, необходимо детальное исследование физико-химических процессов происходящих в каждой из зон газификатора, и необходимо изучение кинетики деструкции древесины при температурном воздействия.

Для разработки новых термических способов переработки древесных отходов необходимо изучение свойств древесины, существенных для процессов комплексной энерготехнологической переработки древесных отходов, в том числе изучение древесных отходов как объекта сушки и газификации. Особую роль в данном случае играют теплофизические свойства, состав и строение древесины.

В отношении теории теплопроводности древесина - сложная многофазная система с ярко выраженной анизотропией, состоящая из твердой фазы - скелета древесного вещества, жидкой фазы - воды, находящейся в связанном и свободном состояниях, и газообразной фазы -паровоздушной смеси, заполняющей часть пор древесины, которая не занята водой. Материалы такого рода в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело. Коэффициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую условную величину, так как передача тепла происходит всеми тремя способами - теплопроводностью, конвекцией и излучением. Через скелет древесного вещества тепло передается теплопроводностью, через поры -теплопроводностью, конвекцией и излучением одновременно, при этом теплопроводность каждого из компонентов различная. Из всех компонентов древесины самую высокую теплопроводность имеет влага, поэтому

коэффициент теплопроводности пористых тел сильно зависит от влажности.

В процессе термического разложения теплофизические свойства древесины

претерпевают изменения. Текущая эффективная теплопроводность рассчитывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины, угля и летучих веществ, учитывающая лучистый теплообмен пор. Аналогично, линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной, рассчитывается проницаемость частично пиролизированной древесины.

Термическое разложение древесины является сложным процессом. Оно включает в себя множество физических и химических процессов, таких как теплоперенос с внутренними стоками или источниками, совокупность последовательных

экзотермических и эндотермических химических реакций, сопровождающихся повышением давления в материале, изменением свойств материала в зависимости от степени разложения и т. д .

Для математического описания процессов разложения необходимо знать константы скоростей химических реакций, энергии активации и удельную теплоту химических реакций. Числовые значения этих параметров сильно изменяются в зависимости от породы древесины, условий разложения [8].

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что древесина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки. В литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и массопроводные тепловые и химические характеристики древесины: имеются

эмпирические аппроксимированные зависимости теплофизических, влажностных и

термодинамических химических характеристик. Широко исследован механизм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе термического воздействия.

Таким образом, на базе современных представлений о влиянии температуры на свойства древесины, о тепломассопереносе, осложненном параллельно протекающими химическими реакциями, а также сорбционно-кинетических, тепловых и массопроводных и химических свойствах древесины разработан процесс комплексной энерготехнологической переработки древесных отходов.

Схема разработанного процесса энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов с

предварительной сушкой методом прямоточной газификации, представленная на рисунке 1.

Рис. 1 - Структурная схема энерготехнологического комплекса

переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предварительной сушки 1. Затем высушенные отходы делятся на два потока, основная часть поступает в газогенератор 2, а другая часть подается в топку 3 для производства теплоносителя. Другими входными потоками в систему переработки высоковлажных древесных отходов является воздух, который подается в качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в утилизатор тепла - 4 при производстве из продуктов газификации химических продуктов 5. На выходе из системы переработки древесных отходов имеем новые химические продукты, отработанный

теплоноситель и золу. Внутри рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки, пиролиза, горения и восстановления.

Исследования по данной работе выполнены в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России на 20072013 годы по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки древесных отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала», при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской федерации.

Литература

1. Тимербаев, Н.Ф. Исследование зависимости теплотворной способности ТБО от их морфологического состава / Н.Ф. Тимербаев, И.А. Кузьмин, А.Р. Садртдинов / / Известия высших учебных заведений «Химия и химическая технология».- 2008 г. - Том 51. -Вып.10. - С. 79-82.

2. Тимербаев, Н.Ф. Современное состояние процесса пирогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И Хуснуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, № 3. - С.169-174.

3. Лесная биоэнергетика, под ред. Ю.П. Семенова . -М.; ГОУ ВПО МГУЛ. 2008. -348 с.

4. Таймаров, М.А. Повышение эффективности работы энерготехнологических печей /М.А. Таймаров, М. М. Ахсанов// Монография. Научное издание. Казань. КГЭУ. 2010. - 108 с.

5. Патент № 2274851 Российская федерация, МПК 00Ш25/20. Устройство для определения параметров воспламенения и горения твердых материалов /Р.Р.Сафин, А.Н. Грачев, Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, В.Н. Башкиров, А.А. Нелюбин, Е.К. Воронин, И.А. Валеев;

© Н. Ф. Тимербаев -

tnail@rambler.ru.

патентооблодатель ООО «Научно -технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 20.04.2006.

6. Патент № 2279612 Российская Федерация, МПК Б26Б 5/04. Способ сушки пиломатериалов / Р. Р. Сафин, Е. К. Воронин, Р.Г. Сафин, Р.Р. Хасаншин, А.И. Расеев, С.А. Хайдаров, Н.Ф. Тимербаев, Д.А. Мухаметзянова; патентообладатель Научно -технический центр по разработке прогрессивного оборудования; опубл. 10.07.2006.

7. Тимербаев, Н.Ф. Нейтрализация статического электричества при пневмотранспорте древесных частиц / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г Саттарова// Вестник Казан. технол. ун-та. -2010. - № 9. - С.478-482.

8. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса пиролиза древесины в установке для производства древесного угля / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И Хуснуллин// Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, № 9. - С.51-57.

канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ,