CC BY
57
УДК 674.816.2
Р. Г. Сафин, Н. Ф. Тимербаев, Д. Ф. Зиатдинова, Д. А. Ахметова, Т. О. Степанова
ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ СЖИГАНИЕМ
Ключевые слова: сжигание, древесина, среда, температура, цвет, биостойкость, вакуум, влагосодержание.
В статье представлен обзор современного состояния процесса сушки древесных материалов.
Keywords: burning, drying, wood, wednesday, temperature, color, bioproofness, vacuum, moisture content. The review of a current state ofprocess of drying of wood materials is presented in article.
Введение
Термическая переработка древесных отходов сжиганием является наиболее распространенным процессом на предприятиях лесопромышленного комплекса (ЛПК). Процессы горения твердых продуктов и газов изучали Вильямс Ф.А., Головин Е.С., Кантарович Б.В., Хитрин Л.Н., Частухин В.И., Щетиков Е.С. [1^6]. Энергетическим использованием непосредственно древесных отходов занимались Головков С.И., Козлов В.Н., Юдушкин Н.Г., Семенов Ю.П. и др. [7^13].
Основная часть
Первые научные публикации в КНИТУ по термической переработке древесных отходов сжиганием появились в 2002 г. [14^17].
Для проведения исследований параметров воспламенения и горения древесных материалов была создан экспериментальный стенд [15,18], представленный на рис. 1.
Рис. 1 - Схема экспериментального стенда для исследования процесса сжигания древесных частиц (патент № 2274851)
Стенд включает в себя камеру со смотровыми окнами для фиксации меняющихся во времени параметров процесса горения, систему газоочистки 3, блок отбора проб 4.
Камера сжигания 1 имеет футеровку 13 и включает в себя дозатор 5, смотровые окна 11,20, видеокамеры 26,27, датчики температур 23,24,25, нагревательные элементы 14,15 в футерованной стенке 14 и под колосниковой решеткой 9.
Персональный компьютер получает информацию от видеокамер, датчиков температур, датчика давления 8, а также регулирует мощность нагревательных элементов.
Окислитель подается вентилятором 16; его расход регулируется с помощью вентиля 19 и ротаметра 17, а фиксируется счетчиком 18.
Очистка дымовых газов осуществляется в барботере 28, насадочной абсорбционной колоне 29 и кассетном адсорбере 30. Отвод дымовых газов производится вентилятором 38, через ротаметр 37.
Отвод проб в капсулу с адсорбентом 43 производится с помощью вакуумного насоса 45 через вентили 39^42. Циркуляция адсорбента регулируется с помощью насоса 35.
При определении параметров воспламенения образец 46 помещается на колосниковую решетку 9 и нагревается с помощью нагревательных элементов 14,15. Фазы процесса прогрева, термолиза, выгорания коксового остатка, а также изменение линейных размеров фиксируются цифровыми видеокамерами 26, 27.
Экспериментальный стенд позволяет также получить кинетические параметры процесса горения в зависимости: от свойств древесных отходов (влажности, геометрических размеров, состава топлива) от коэффициента избытка воздуха, от давления в камере сгорания. При этих испытаниях загрузка осуществляется непрерывно питателем с помощью дозатора 5, отбор газовых проб производится из контрольных точек I, II, III, IV при включенном вакуумном насосе 45. Многоступенчатая система газоочистки позволяет оценить эффективность различных режимов адсорбции, абсорбции и дать рекомендации при аппаратурном оформлении процессов сжигания различных древесных отходов.
Анализ литературных источников [1^13] показывает, что КПД установок сжигания древесных отходов можно повысить снижением влагосодержания сырья и температуры топочного газа на выходе из котла, снижением содержания кислорода в топочном газе и конденсацией водяных паров из топочного газа (табл. 1).
Для реализации процесса термической переработки промышленных отходов повышенной влажности была создана и внедрена на ФГУП «МПЗ» опытно-промышленная установка, представленная на рис. 2 [19].
Таблица 1 - Возможные варианты повышения теплового КПД печей сжигания
№ п/п Меры Потенциальное повышение теплового КПД
1 Подсушка со снижением влажности с 50 до 30 % +8,7%
2 Снижение содержания 02 в топочном газе на 1 % Около +0,9%
3 Снижение содержания золы с 10,0 до 5,0 % +0,3%
4 Снижение температуры топочного газа на выходе из котла на 10 °С +0,8%
5 Конденсация топочного газа Среднее +17%; максимальное +30%
Рис. 2 - Схема установки для переработки высоковлажных древесных отходов с кондуктивно-конвективным сушильным
бункером
Разработанная установка может быть реализована также для термической переработки высоковлажных древесных отходов.
Она включает в себя сушильный бункер - 1, двухкамерную печь сжигания 3 с котлом утилизатором 4 и систему очистки дымовых газов 5.
Двухкамерная печь позволяет производить сжигание отходов при минимальном коэффициенте избытка воздуха, обеспечивая тем самым минимальное содержание кислорода в топочном газе. Подача вторичного воздуха в камеру 21 с помощью вентилятора 34 регулируется кислородным датчиком, установленным в поток топочного газа на выходе из котла - утилизатора 32.
Предварительная сушка сжигаемых отходов осуществляет сначала конвективно отработанным
топочным газом, в нижней части 7 сушильного бункера, а затем кондуктивно в верхней части 6. При кондуктивной сушке тепловая энергия передается за счет конденсации паров влаги топочного газа.
Система очистки дымовых газов состоит: из эжекционных скрубберов, заключенных в один кожух 29, приемной ванны 30 и кассетного адсорбера полупериодического действия 31.Производительность установки регулируется шнековым дозатором 16 и зависит от свойств перерабатываемых отходов.
В сушильном бункере происходит не только конденсация влаги из топочного газа, но и очистка дымового газа от взвешенных твердых частиц. Осаждение твердых частиц из топочного газа на поверхности твердых отходов приводит к повышению реакционной способности сжигаемых отходов и уменьшению механического недожига путем повторного вовлечения углерода, уносимого дымовыми газами, в камеру сгорания. Это приводит к дополнительному повышению теплового КПД установки термической переработки твердых отходов.
Для термической переработки древесных материалов, содержащих полимерные включения: ДПКМ, ДсТП и др. была разработана установка сжигания со встроенными пиролизными реакторами (см. рис. 3) [20,21].
12 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 3 - Схема установки для термической переработки древесных отходов, содержащих полимерные включения (патент № 2400671, №2232348)
В этой установке производится многоступенчатая очистка газовых выбросов. На первой ступени полимерные включения пиролизуются в реакторах 33,37 (см. рис.4).
А - А
32 33 34 35 36 37 38
Рис. 4 - Схема установки съемных камер пиролиза
В результате пиролиза получается углистый остаток и пиролизные газы, поступающие в высокотемпературную камеру дожига 21. На второй ступени происходит адсорбционная очистка в эжекционных трубах 8. На третьей ступени возможна адсорбционная очистка в насадочный части 15 либо абсорбционная очистка орошением насадки.
В этой установке древесные отходы предварительно сепарируются от древесных отходов содержащие полимерные биомассы и загружаются в бункер для загрузки отходов 2. Отсепарированные отходы с полимерными включениями загружаются в съемные реакторы пиролиза.
Реакторы пиролиза (см. рис. 4) имеют в нижней части каналы для вывода пиролизных газов 42. Нагрев пиролизных реакторов осуществляется в циклонных камерах 32,38, циркулирующими вокруг них топочными газами. Работают реактора поочередно. Один реактор находится в зоне пиролиза, а другой в зоне загрузки-выгрузки. В период выемки съемных реакторов для проведения разгрузочно-погрузочных операций циклонные камеры отсекаются от потока отходящих топочных газов специальными задвижками 4,22.
Отходы из бункера 2 сжигаются в камере 19, в которой установлены колосниковые решетки 18. Топочные газы из камеры сжигания и пиролизные газы, образовавшиеся в реакторах пиролиза, поступают в камеру дожига 3 и смешиваются с кислородом. В результате дожига в среде кислорода топочные газы нагреваются до 1800 0С и поступают сначала на обогрев реакторов пиролиза, а затем на нагрев теплоносителя в теплообменники 5, работающие в режиме противотока. Охлажденные топочные газы поступают на очистку. Очищенные и охлажденные до 20-25 0С топочные газы выбрасываются дымососом 10 в атмосферу.
Система автоматизации установки регулирует подачу окислителя и работу дымососа, поддерживая необходимое разрежение в газовом тракте камеры сжигания и оптимальный коэффициент избытка воздуха [22].
Заключение
Исследования по горению, проведенные на кафедре ПДМ [23+-29], позволили разработать не
только новые конструкции печей сжигания древесных отходов с повышенным КПД, но и заложили основу для развития на кафедре новых научных направлений по газификации [30+31] и пиролизу древесных отходов [32].
Литература
1. Вильямс, Ф. А. Теория горения / Ф. А. Вильямс // пер. с англ. - М.: Наука, 1971. - 615 с.
2. Головина, Е.С. Высокотемпературное горение и газификация углерода / Е. С. Головина. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 176 с.
3. Канторович, Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива / Б.В. Канторович. - М.: Изд. АН СССР, 1958. - 598 с.
4. Хитрин, Л.Н. Физика горения взрыва / Л.Н. Хитрин.-М.: Изд. Моск. ун-тет. - М., 1956. - 442 с.
5. Частухин, В.И. Топливо и теория горения: учеб. пособие для вузов по спец. «пром. теплоэнергетика» / В.И. Частухин, В.В. Частухин. - Киев: Выща школа, 1989. - 222 с.
6. Щетинков, Е.С. Физика горения газов / Е.С. Щетинков.
- М.: Наука, 1965. - 740 с.
7. Головков, С.И. Энергетическое использование древесных отходов / С.И. Головков, И.Ф. Коперин, В.И.Найденов. - М.: Лесная пром-сть, 1987. -220с.
8. Козлов, В.Н. Технология пирогенетической переработки древесины / В.Н. Козлов, А.А. Нимвицкий.
- М.: ,1954. - 620 с.
9. Юдушкин, Н.Г. Газогенераторные тракторы / Н.Г. Юдушкин. - М.: Машгиз, 1955. - 244 с.
10. Лесная биоэнергетика: учебное пособие / Под ред. Ю.П. Семенова. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. - 348 с.
11. Конев, Э. В. Физические основы горения растительных материалов / Э.В. Конев. - Новосибирск «Наука», 1977. - 240 с.
12. Белосельский, Б. С. Низкосортные энергетические топлива: особенности подготовки и сжигание / Б.С. Белосельский, В. И. Барышев. - М.: Энергоатомиздат. -1989. - 136 с.
13. Пракс У. Биотопливо и его сжигание / У. Пракс. -Биоцентр, 2001. - 120 с.
14. Патент РФ № 2232348. Установка для термической переработки твердых отходов / Сафин Р.Г., Башкиров В Н., Грачев А Н. и др. - Бюл. № 18, 2004.
15. Тимербаев, Н. Ф. Экспериментальный стенд для исследования процесса сжигания древесных частиц / Н.Ф. Тимербаев, В.Н. Башкиров, Грачев А.Н. // Успехи в химии и химической технологии. - Т.ХУШ.№3(43). -Казань, Т.ХУШ. №3(43). - 2004. - С.95-97.
16. Патент РФ № 2184909. Установка для сжигания газовых выбросов/ Сафин Р.Г., Лашков В.А., Грачев А.Н. и др. - Бюл. № 34, 2002.
17. Грачев, А.Н. Использование методов приближения при моделировании процесса термической переработки древесных отходов / А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, Р.Г. Сафин // Химия и химическая технология. - 2004. - Т. 47. - №10, - С. 137-140.
18. Патент 2274851 С2, МПК в0Ш25/50. Устройство для определения параметров воспламенения и горения твердых материалов / Н.Ф. Тимербаев ; патентообладатель НТЦ РПО. - №2004111030/28 ; заявл. 10.1.2005 ; опубл. 20.04.2006.
19. Тимербаев, Н.Ф. Техника и технологии термической переработки отходов деревообрабатывающей промышленности : монография / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттаров // М-во образ. и науки РФ, Казан. Гос. Технол. Ун-т. - Казань : КГТУ, 2010. - 172 с.
20. Патент РФ № 2232348. Установка для термической переработки твердых отходов/ Сафин Р.Г., Башкиров В.Н., Грачев А.Н. и др. - Бюл. № 34, 10.07.2004.
21. Патент РФ № 2400671. Установка для термической переработки твердых отходов/ Тимербаев н.Ф., Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Р. и др. - Бюл. № 34, 27.09.2010.
22. Тимербаев, Н.Ф. Автоматизация работы газовоздушного тракта печей и котельных агрегатов работающих на древесных отходах / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов. // Вестник Казанского технолог. ун-та. - 2010. - № 9. - С. 438-443.
23. Тимербаев, Н.Ф. Использование некондиционной древесины в качестве возобновляемых источников энергии / Н.Ф. Тимербаев, А.Н. Грачев // Труды VI Международного симпозиума «Ресурсоэффективность и энергосбережение». - Казань: КГУ, 2006. - С. 340341.
24. Тимербаев, Н.Ф. Исследование процесса горения древесных материалов / Н.Ф. Тимербаев, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин // Методические указания к лабораторным работам. - КГТУ, 2005. - С. 16.
25. Тимербаев, Н.Ф. Пути повышения эффективности установок для сжигания биомассы / Н.Ф. Тимербаев, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин // Труды VI Международного симпозиума «Ресурсоэффективность и энергосбережение». - Казань: КГУ, 2006. - С. 335-336.
26. Тимербаев, Н. Ф. Сжигание отходов деревообработки, с предварительной сушкой отходящими топочными газами / Н.Ф. Тимербаев, А.Н. Грачев, Т.Д. Исхаков // VI Международный симпозиум «Ресурсоэффективность и энергосбережение». -Казань: КГУ, 2006. - С. 333-334.
27. Тимербаев, Н. Ф. Техника и технологии термической переработки отходов деревообрабатывающей промышленности : монография / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З. Г. Саттаров // М-во образ. и науки РФ, Казан. Гос. Технол. Ун-т. - Казань : КГТУ, 2010. - 172 с.
28. Тимербаев, Н.Ф. Повышение эффективности энергетического использования древесных отходов: монография / Н.Ф. Тимербаев // автореферат на соискание к.т.н., Казань: КНИТУ, 2007. - 16 с.
29. Грачев, А.Н Совершенствование техники и технологии процесса термической переработки древесных отходов / А.Н. Грачев // автореферат на соискание к.т.н., 2005. - 16 с.
30. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств / Н. Ф. Тимербаев [и др.] // Методические указания к лабораторным работам 8-11. - Казань: КГТУ, 2006. - С.80.
31. Тимербаев, Н.Ф. Комплексная энерготехнологическая переработка древесных отходов с применением прямоточной газификации/ Н.Ф. Тимербаев // автореферат на соискание д.т.н., 2012. - 36 с.
32. Грачев, А.Н Разработка методов расчета технологии и оборудования пирогенетической переработки древесины в жидкие продукты/ А.Н. Грачев // автореферат на соискание д.т.н., 2012. - 36 с.
33. Степанова Т.О., Мусин Х.Г., Хабибуллин И.Г. Тепловлажностная обработка древесно-композиционных материалов. // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе сборник научных статей Первых Международных Лыковских научных чтений, посвященных 105-летию академика А.В. Лыкова. Москва, 2015. С. 324-326.
34. Сафин Р.Г., Зиатдинова Д.Ф., Сафина А.В., Степанова Т.О., Крайнов А.А. Современные направления переработки лесных ресурсов. // Вестник технологического университета. - 2015. -Т. 18. №15. - С. 144-148.
35. Сафин Р.Г., Галиев И.М., Степанова Т.О., Разработка террасных досок и плит из древесины-полимерных композиционных материалов / Деревообрабатывающая промышленность. 2015, в.3, с.56-60.
36. Сафин Р.Г., Степанов В.В., Исхаков Т.Д., Гайнуллина А. А., Степанова Т.О. Новые исследования и разработки в области получения древесно-композиционных материалов на основе древесных отходов. // Вестник технологического университета. - 2015. -Т. 18. №6. - С. 139-142.
© Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, зав. кафедрой переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Н. Ф. Тимербаев - д.т.н., профессор кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Д. Ф. Зиатдинова - д.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; Д. А. Ахметова - к.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; Т. О. Степанова -магистрант той же кафедры, [email protected].
© R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department of processing of wood materials КNRТU, [email protected]; N. F. Timerbaev - doctor of engineering, professor of chair of processing of wood materials КNRТU, [email protected]; D. F. Ziatdinova - doctor of engineering, professor of the department of processing of wood materials КNRТU, [email protected]; D. A. Ahmetova - candidate of technical sciences, associate professor of the department of processing of wood materials КNRТU, [email protected]; ^ О. Stepanova - undergraduate of the department of processing of wood materials КNRТU, [email protected].
