Разработка комплекса эффективного использования топливных ресурсов для получения тепловой энергии

УДК 67404:674.8

Р. Р. Сафин, И. Ф. Хакимзянов, П. А. Кайнов, Р. Т. Хасаншина

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Ключевые слова: древесное сырьё, газификация, двигатель внутреннего сгорания, тепловая энергия, тепловой насос.

Данная статья посвящена увеличению эффективности использования тепловой энергии газификации древесных отходов путем применения теплового насоса в технологической цепи. Рассмотрена возможность использования двигателя внутреннего сгорания, работающего на синтез-газе, получаемого в газификаторе.

Keywords: wood raw material, gasification, an internal combustion engine, thermal energy, heat pump.

This article is dedicated to increasing the efficiency of the use of thermal energy gasification of wood waste by using a heat pump in the process chain. The possibility of using an internal combustion engine operating at the synthesis gas produced in the gasifier.

Введение

Актуальность проблемы энергосбережения и энергоэффективности определено рядом факторов: экономический, природно-климатический, ресурсный, социальный и экологический.

Возрастающие с каждым годом выработка и потребление энергии в мире создают необходимые условия для ускорения научно-технического процесса, который позволяет улучшать благосостояние людей планеты. Но вместе с тем возрастающие объемы потребления энергии требуют все больших и больших объемов углеводородного сырья, запасы которого не безграничны. Мировой энергетический кризис заставил многие страны пересмотреть свое отношение к потреблению топливно-энергетических ресурсов и принять необходимые меры к снижению энергоемкости ВВП и увеличению обеспеченности топливно-энергетическими ресурсами за счет своих внутренних резервов и возобновляемых источников энергии.

Одной из характерных черт современного этапа научно-технического прогресса является возрастающий спрос на все виды энергии. Важным топливно-энергетическим ресурсом является природный газ.

Создание энергосберегающих процессов и оборудования, позволяющих обеспечить экономию топливных и энергетических ресурсов, является важнейшей задачей современного производства. В настоящее время существует проблема возрастания дефицита топливных ресурсов, причем не только традиционных, но и возобновляемых, наблюдается постоянный рост тарифов на энергоносители. При этом наиболее доступным видом возобновляемого сырья в настоящее время является биомасса, основную долю которой составляет древесина.

Поэтому поставлена цель существенного сокращения потребления энергетических ресурсов путем повышения эффективности использования энергии сгорания возобновляемого топлива методом термохимической конверсии в газогенераторной установке. Газификация биомассы является одним из наиболее дешевых и экологически безопасных способов получения электрической и тепловой энергии.

В настоящее время на промышленных предприятиях отходы древесины и другие биопродукты в лучшем случае сжигаются в печах и топках котлов. Однако, стандартные топки имеют низкий КПД, требуют регулярной очистки и ремонтов, а в атмосферу в виде дыма выбрасываются не сгоревшие сложные и вредные углеводородные соединения и зольная пыль.

Генераторный газ, как топливо, имеет безоговорочные преимущества перед прямым сжиганием древесины и др. видов биомассы. Генераторный газ, подобно природному газу, может быть передан на большое расстояние по трубопроводам и в баллонах; его удобно использовать в быту для приготовлении пищи, для отопления и нагревания воды, а также в технологических и силовых установках. Сжигание газа легко автоматизировать; продукты сгорания менее токсичны, чем продукты прямого сжигания древесины и других видов биомассы [1-9].

Генераторный газ используется в качестве удобного и эффективного топлива для горелок сушилок, печей, котлоагрегатов, газовых турбин, но чаще - газопоршневых установок. Таким образом, по свойствам он похож на природный газ и может использоваться взамен последнего.

В связи с этим нами было предложено создание технологического комплекса по экономии топливных и энергетических ресурсов на базе газификации древесных отходов для получения тепловой энергии для промышленных и технологических процессов (отопления помещения, сушки и тепловой обработки материалов, для нужд ГВС и т.п.) [19, 12-14,17,18,24].

Основная часть

Целью проекта является разработка и внедрение комплекса для эффективного использования топливных и энергетических ресурсов, обладающего улучшенными технико-экономическими характеристиками:

- повысить КПД всей системы;

- снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, связанную с производством тепловой энергии коммунальными и промышленными энерге-

тическими установками при использовании ископаемых видов топлива.

В рамках проекта будет разработан комплекс, который включает в себя следующие установки: газификатор; система охлаждения; двигатель внутреннего сгорания; тепловой насос; сушильная камера.

Технологический процесс состоит из следующих операций: газификация биомассы с получением синтез-газа; охлаждение синтез газа; сжигание синтез-газа в двигателе внутреннего сгорания с получением тепловой и механической энергий; осуществление работы компрессора теплового насоса с помощью механической энергии, вырабатываемого двигателем внутреннего сгорания.

Схема предложенного комплекса представлена на рис. 1.

Всдянсй пар

________________I- Вода

Рис. 1 - Схема технологического комплекса по выработке тепловой энергии на основе газификации

Сырьем для переработки являются отходы деревообработки, образующиеся на лесопильном и столярном производствах, запускаемых в рамках проекта на внебюджетные средства [10-12].

Сырье в виде древесных отходов со склада исходного сырья поступает по транспортеру в газификатор 1. В газификаторе 1 происходит процесс разложения растительных отходов с получением синтез-газа, который проходит через охладитель 2, где происходит охлаждение синтез-газа водой посредством теплопередачи через разделяющую поверхность. Охладитель 2 подбирается таким образом, чтобы подаваемая для охлаждения вода полностью перегреваясь, испарялась и подавалась в зону восстановления газификатора 1. Подача перегретого водяного пара в зону восстановления способствует увеличению образования водорода, что повышает в целом энергетический потенциал образующегося синтез-газа. После охлаждения синтез-газ поступает

в двигатель внутреннего сгорания 3, в котором вырабатывается:

- механическая энергия, необходимая для осуществления процесса сушки в сушильной камере 5 при помощи теплового насоса 4;

- тепловая энергия, отбираемая при охлаждении двигателя внутреннего сгорания, может быть использована для отопления помещения, для нужд ГВС, для подогрева воздуха системы вентиляции.

Заключение

Такой подход позволяет разрабатывать и реализовать экологически чистую технологию утилизации древесных отходов с получением высокотемпературного теплоносителя для бытовых и промышленных нужд.

Литература

1. Сафин Р.Г. Газификация древесных отходов / Сафин Р.Г., Тимербаев Н.Ф., Ахметова Д.А., Зиатдинов Р.Р., Хабибуллина А.Р. // Вестник Казанского технологического университета. Казань. 2014. Т. 17. № 8. С. 108111.

2. Сафин Р.Г. Термохимические процессы переработки древесных материалов, сопровождающиеся выделением парогазовой фазы / Сафин Р.Г., Зиатдинова Д.Ф., Тимербаев Н. Ф., Ахметова Д.А.// Вестник Казанского технологического университета. Казань. 2014. Т. 17. № 8. С. 117-123.

3. Сафин Р.Г. Влияние параметров процесса газификация древесных отходов под давлением на состав синтез газа / Сафин Р.Г., Садртдинов А.Р., Салдаев В.А.// Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 3-2 (8-2). С. 417-420.

4. Сафин Р.Г. Разработка технологии получения метанола из древесных отходов / Сафин Р. Г., Тимербаев Н.Ф., Галеев Т.Х. Вестник Казанского технологического университета. Казань. 2013. Т. 16. № 3. С. 168170.

5. Сафин Р.Г. Производство метанола из древесных отходов / Сафин Р.Г., Тимербаев Н.Ф., Галеев Т.Х.// Деревообрабатывающая промышленность. 2013. № 1. С. 12-15.

6. Сафин Р.Р. Энергосберегающая установка для сушки и термической обработки древесины / Сафин Р.Р., Разумов Е.Ю., Оладышкина Н.А.// Вестник Казанского технологического университета. Казань. 2010. № 9. С. 542-546.

7. Сафин, Р.Р. Вакуумно-конвективная сушка пиломатериалов: Монография / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов. - Казань: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2009 г. - 260 с. - ISBN 978-5-7882-0770-4.

8. Сафин, Р.Р. Математическая модель процесса конвективной сушки пиломатериалов в разряженной среде / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин // Известия Высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2006. -№ 4. - С. 64-71.

9. Хасаншин, Р.Р. Математическая модель конвективной сушки коллоидных капиллярно-пористых материалов при давлении ниже атмосферного / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. -2005. - № 1. - С. 266-268.

10. Патент № 2425305 Российская Федерация, МПК В27Ш/28. Способ сушки и термической обработки древесины / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Р.Г. Сафин, Р.Р. Хасаншин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. -

№ 2010108198/06; заявл. 04.03.2010; опубл. 27.07.2011. - 10 с.: ил.

11. Патент № 2425306 Российская Федерация, МПК Т26Б9/06, Т26Б5/04. Установка для сушки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2009143195/06; заявл. 23.11.2009; опубл. 27.07.2011. - 6 с.: ил.

12. Сафин Р.Р. Исследование вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины / Сафин Р.Р.// Деревообрабатывающая промышленность. 2009. № 3. С. 24.

13. Сафин Р.Р. Вакуумно-конвективное термомодифицирование древесины в среде перегретого пара / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Шайхутдинова А.Р.// Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 6. С. 93-99.

14. Сафин Р.Р. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ик-спектрометра / Разумов Е.Ю., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Р., Кайнов П.А.// Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 10. С. 100-103.

15. Сафин, Р. Р. Новые подходы к совершенствованию вакуумно-конвективных технологий сушки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин, П.А. Кайнов // Деревообрабатывающая промышленность. - 2005. -№ 5. - С. 16-18.

16. Сафин Р.Р. Вакуумно-конвективная сушка пиломатериалов монография / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов // Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования «Казанский государственный технологический университет». Казань. 2009.

17. Сафин, Р.Р. Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины / Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасаншин, Р. В. Данилова // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2012. - № 7. - С. 64-66.

18. Сафин, Р.Р. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, Н.А. Оладышкина // Вестник Московского

государственного университета леса - Лесной вестник. Москва. - 2010. - № 4. - С. 95-98.

19. Razumov, E.Y. Studies on mechanical properties of composite materials based on thermo modified timber / E.Y. Razumov, R.R. Safin, Stefan Barrak, Monika Kvietkov, R.R. Khasanshin // Journal "Drvna industrija" ("Wood industry") 64(1) 3-6 Zagreb, CROATIA, 2012, P. 3-8.

20. Хасаншин, Р.Р. Экспериментальные исследования динамики избыточного давления внутри древесины при ее термическом модифицировании / Р.Р. Хасаншин // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2013. - № 14. - С.

21. Хасаншин, Р.Р. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ИК-спектрометра / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2010. - № 9. - С. 116-117.

22. Хасаншин, Р.Р. Исследование режимов сушки в ваку-ум-осциллирующей установке / Р.Р. Хасаншин, Ш.Р. Мухаметзянов // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2011. - № 6. - С. 207-211.

23. Сафин, Р.Р. Снижение расхода энергии на проведение процессов сушки древесины посредством вакуумно-конвективной технологии / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Ф.Г. Валиев, Р.Р. Гильмиев // Деревообрабатывающая промышленность. М. - 2008. - № 5. - С. 22-23.

24. Хасаншин, Р.Р. Экспериментальные исследования динамики избыточного давления внутри древесины при ее термическом модифицировании / Р.Р. Хасаншин // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2013. - № 14. - С. 116-117.

25. Сафин, Р.Р. Обзор современных решений сотрудников ФГБОУ ВПО «КНИТУ» в области техники и технологии сушки пиломатериалов / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, П.А. Кайнов // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. -2013. - № 23. - С. 76-78.

© Р. Р. Сафин - д.т.н., профессор, зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины, КНИТУ, cfaby@mail.ru; И. Ф. Хакимзянов - ассистент каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины, КНИТУ, ilshat_170@mail.ru; П. А. Кайнов - к.т.н., доцент каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины, КНИТУ, olambis@rambler.ru; Р. Т. Хасаншина - магистр каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины, КНИТУ, olambis@rambler.ru.

© R. R. Safin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department "Architecture and design of products from wood", KNRTU, cfaby@mail.ru; 1 F. Khakimzyanov - Assistant of the Department "Architecture and design of wood", KNRTU, ilshat_170@mail.ru; P. A. Kainov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of "Architecture and design of wood", KNRTU, olambis@rambler.ru; R. T. Khasanshina - Master student of the Department "Architecture and design of wood", KNRTU, olambis@rambler.ru.