Введение к работе
Актуальность темы:
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 избыточным давлением, 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 предприятий.
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.
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.
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.
Диссертационная работа выполнялась в рамках государственной научно- технической программы «Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья» в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов (код темы ГРНТИ: 87.51.14), а также при поддержке гранта по программе Старт № 8573р/13910 и государственного контракта № 16.525.11.5008 по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала и моторного топлива».
Целью работы является формирование научно -обоснованных теоретических предпосылок, позволяющих разработать методы расчета и аппаратурное оформление энерготехнологической переработки древесных отходов с применением метода прямоточной газификации. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:
идентификация физической картины процесса прямоточной газификации древесины;
разработка математической модели процесса прямоточной газификации древесины с учетом стадии предварительной сушки отходов за счет тепла отходящих топочных газов или тепла продуктов газификации;
разработка алгоритма расчета и моделирование процесса сушки и прямоточной газификации древесных отходов;
разработка экспериментальных стендов для исследования процесса сушки древесных отходов отработанными топочными газами, процесса прямоточной газификации древесины и процессов термического разложения древесины в зависимости от режимных параметров;
разработка новых технических решений по совершенствованию техники и технологии сушки и прямоточной газификации древесных отходов;
разработка аппаратурного оформления новых технических решений;
выявление перспективных областей применения результатов моделирования и проведенных исследований.
Степень разработанности проблемы:
Вопросам энергетического использования древесных отходов посвящены работы следующих ученых: Кислицына А.Н., Семенова Ю.П., Головкова С.И., Жидкова А.В., Юрьева Ю.А., Юдкевич Ю.Д.. В работах Пиялкина В.Н., Козлова В.Н., Никитина Н.И., Богдановича Н.И., Сафина Р.Р. рассматриваются термохимические методы переработки древесины. Исследованием кинетических механизмов и моделированием термического разложения органических соединений занимались Померанцев В.В., Вандышев С.С., Таймаров М.А., Сергеев В.В., Кузнецов Г.Ф. Di Blasi, R.C. Brown. Теоретическим основам процессов газификации посвящены работы Канторовича Б.В., Кузнецова Г.Ф., Сергеева В.В., Мингалеевой Г.Р., Любиной Ю.Л., Гроо А.А..
Несмотря на большое количество научных работ в области термического разложения органических соединений следует отметить, что отсутствует единая комплексная методика расчета технологий переработки широкой гаммы древесных отходов методом прямоточной газификации.
Научная новизна:
Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на повышение эффективности энерготехнологической переработки отходов ЛПК:
создана обобщенная математическая модель процесса энерготехнологической переработки древесных отходов прямоточной газификацией, основанная на теории тепло-массопереноса, осложненного параллельно протекающими химическими реакциями и общих кинетических закономерностях процессов, протекающих при непрерывно повышающемся термическом воздействии на древесину;
разработана методика расчета процесса предварительной сушки отходов деревообработки перед их газификацией при конвективных и кондуктив- ных способах подвода рекуперативного тепла с технологических потоков, отработанного топочного газа или произведенного генераторного газа;
разработаны и реализованы экспериментальные стенды для исследования совмещенного процесса сушки и термического разложения древесины, в которых применены современные средства регистрации и обработки данных;
предложена новая технология термической переработки отходов деревообработки, содержащих полимерные включения;
разработан способ прямоточной газификации высоковлажных отходов, позволяющий получить генераторный газ высокой теплотворной способности;
в результате исследований определен характер влияния влажности отходов, расхода дутьевого воздуха, температуры в зоне горения и высоты зоны восстановления на состав генераторного газа;
разработана новая технология прямоточной газификации древесных отходов, позволяющая одновременно утилизировать сдувочные газы, образующиеся при переработке продуктов газификации в другие химические продукты;
выявлены новые области использования результатов проведенных исследований.
Практическая ценность:
В результате физического и математического моделирования процесса термического разложения древесины разработаны и реализованы компьютерные методики расчета процессов газификации влажных древесных отходов с использованием бросового тепла отработанных топочных газов или продуктов прямоточной газификации отходов деревообработки, позволяющие выработать рекомендации по выбору рациональных режимов ведения процессов и конструктивных параметров установок.
Разработаны высокоэффективные энергосберегающие конструкции оборудования для осуществления процессов прямоточной газификации, а также рекомендации, направленные на интенсификацию тепло -массообменных процессов, повышение технологических свойств продуктов термического распада древесины.
Реализация работы:
Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета, конструкторской документации, паспортов и инструкций по эксплуатации.
Внедрение установок переработки древесных отходов методом прямоточной газификации с общим экономическим эффектом 3,1 млн. рублей осуществлено на предприятиях ЗАО «Ласкрафт» и ООО «Органика» и ООО «Сириус», ОАО «Нижнекамскшина».
Макеты газификатора отходов деревообработки и узла каталитического синтеза метанола, предназначенные для отработки оптимальных режимов производства моторного топлива в соответствии с гос. контрактом 16.525.11.5008, внедрена на опытном полигоне «Искра» КНИТУ.
Методика расчета процессов переработки древесных отходов различного происхождения внедрены в научно-исследовательских центрах: ОАО «ВКНИИЛП», ООО «НТЦ РТО», ООО «НПП Термодрев».
Результаты проведенных исследований реализованы также при реконструкции установки термохимической переработки твердых отходов в ОАО «Нижнекамскшина».
Разработанные экспериментальные стенды, методики исследований и програмные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» и «Математическое моделирование процессов в деревообработке».
Основные положения выносимые на защиту:
Решение проблемы, состоящей в создании эффективных технологий и аппаратурном оформление процесса термической переработки высоковлажных древесных отходов и отходов деревопереработки, в том числе содержащих полимерные включения, на основе режимных параметров и конструктивных характеристик, полученных в результате расчета математического описания, а именно:
математическое описание технологических процессов сушки высоковлажных древесных отходов отработанными топочными газами и их газификации;
результаты математического моделирования и экспериментальных исследований вышеуказанных процессов;
способы и конструкции установок термической переработки высоковлажных отходов, и отходов деревопереработки, содержащих полимерные включения;
способы и конструкции установок прямоточной газификации древесных отходов;
- способы и конструкции установок конверсии отходов деревообработки в химические продукты.
Апробация работы:
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международных симпозиумах «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань 2005, 2006, 2007); на международных конференциях: «Математические методы в технике и технологии» (Тамбов 2002, Ростов на дону 2003, Казань 2005), «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Вологда 2008), Се- вергеотех-2009 (Ухта 2009), «Энергетика в современном мире» (Чита 2009), «Молодые ученные в решение актуальных проблем науки» (Красноярск 2004, 2009); на всероссийской конференции: «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рецикл отходов)» (Санкт-Петербург 2011); на научно- практической конференции: «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов» (Казань 2006); на научных сессиях по технологическим процессам КГТУ (Казань 2004-2011).
Результаты работ экспонировались на: Международной выставке научно-технических достижений в Китае (Шеньян 2009), Международной специализированной выставке-форуме «WASMA-2007», Международном экологическом форуме (Санкт Петербург 2008), Экологическом форуме «Человек. Природа. Наука. Техника» (Казань 2006, 2007), Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва 2005, 2010), Республиканской выставке нефтехимической индустрии «Урал экология -2007» (Уфа 2007), Международном конкурсе «Экологически безопасная продукция» (Москва 2011).
Установка термической переработки древесных отходов удостоена серебряных медалей на Международной выставке научно-технических достижений в Китае и на X Международном салоне инноваций и инвестиций в Москве.
Установка для пирогенетической переработки древесных отходов награждена бронзовой медалью V Международного салона инноваций и инвестиций.
Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в реестр и поставщиков натуральной продукции, отвечающей экологическим требованиям (свидетельство № 1076).
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 59 печатных работ, в том числе одна монография, 18 статей в ведущих рецензируемых журналах и 10 патентов.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений.
