Введение к работе
Актуальность темы:
Большинство термохимических процессов переработки древесных материалов сопровождается выделением токсичных парогазовых смесей, влияющих на окружающую среду. В результате охрана окружающей среды в последние годы стала одной из важнейших проблем, т.к. объемы парогазовых выбросов на предприятиях глубокой переработки древесины составляют сотни тысяч тонн.
К наиболее ярким представителям таких производств в целлюлозно-бумажной промышленности можно отнести периодические процессы производства целлюлозы; в лесохимических предприятиях можно выделить процессы пиролизного производства, экстрагирования веществ из коры и зелени древесины; среди деревообрабатывающих предприятий имеются выбросы токсичных парогазовых смесей на производствах плитной продукции, при экструзионных процессах, при энергетической переработке древесных отходов.
В настоящее время проблема охраны окружающей среды на этих предприятиях решается путем присоединения к действующему технологическому процессу дополнительного оборудования для улавливания токсичных компонентов из парогазовой смеси. Для снижения концентрации выделяющейся парогазовой среды на многих предприятиях идут по пути интенсификации работы газоочистного оборудования за счет разработки новых контактных устройств, интенсификации гидродинамических режимов контактирования и интенсификации процесса массопередачи путем подбора новых реагентов и сорбентов.
В результате традиционный подход к решению проблем, связанный с усовершенствованием газоочистного оборудования является малоэффективным. Более эффективным является комплексный подход, заключающийся в создании новых технологий и аппаратурных оформлений, включающих в себя систему газоочистки. Такой подход осложнен многообразием явлений, сопровождающих процессы переработки древесных материалов, отсутствием обобщенных методов расчета и схем эффективной реализации конкретных процессов.
Таким образом, научные исследования на основе современных представлений, направленные на создание ресурсо-и энергосберегающих экологически безопасных технологий переработки древесных материалов с новым аппаратурным оформлением, разработка методов их расчета являются актуальной задачей.
Работа выполнялась в рамках государственной научно-технологической программы «Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья» в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов (код темы ГРНТИ: 87.51.14), а также в соответствии с планом НИОКР АН РТ (договор подряда № 07. – 1.5 – 229/2004) и в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (гос. контракт 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 технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением токсичных парогазовых смесей.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:
идентификация физической картины процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;
разработка обобщенной математической модели процессов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;
разработка алгоритма расчета и моделирования процессов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;
разработка экспериментального стенда для определения недостающих характеристик и исследования явлений, протекающих при реализации технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;
разработка новых технологических решений по совершенствованию техники и технологий переработки древесных материалов;
разработка аппаратурного оформления новых технологических решений
выявление перспективных областей применения результатов моделирования и проведеных исследований.
Степень разработанности проблемы:
Вопросами разработки ресурсо-и энергосберегающих технологий занимались Голубев Л.Г., Гурьянов А.И., Лашков В.А, Поникаров И.И., Сафин Р.Г., Семенов Ю.П.. Значительный вклад в развитие методов расчета и совершенствования газоочистного оборудования внесли Башкиров В.Н., Булкин В.А., Войнов Н.А., Махоткин А.Ф., Николаев Н.А., Николаев А.Н., Петров В.Н., Халитов Р.А. и др. В работах Богдановича Н.И., Грачева А.Н., Пиялкина В.Н., Сафина Р.Р., Тимербаева Н.Ф., рассматриваются термохимические методы переработки древесных материалов. Исследованием кинетических механизмов и моделированием термического разложения органических соединений занимались Померанцев В.В., Таймаров М.А., Di Blasi, R C Brown.
Научная новизна:
Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на снижение токсичных парогазовых выделений в атмосферу на предприятиях ЛПК:
впервые разработана обобщенная математическая модель термохимических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой смеси в атмосферу, основанная на теории тепломассопереноса и общих кинетических закономерностях, позволяющая учесть механизм образования выбросов;
разработан алгоритм расчета совмещенных процессов испарения многокомпонентной смеси и конденсации в замкнутой системе;
разработана методика расчета режимных параметров и оборудования для процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделениями парогазовых смесей;
разработаны рекомендации, направленные на сокращение и исключение парогазовых выбросов при сульфатной варке целлюлозы, термической переработке древесных отходов, экструзии древесно-полимерных композитов, экстракции веществ из древесных материалов;
моделированием процесса теоретически обоснована и экспериментально подтверждена энерго- ресурсосберегающая технология газоочистки при сульфатной варке целлюлозы (пат. № 2437972);
предложена новая технология комплексной переработки древесных отходов паровзрывным методом в техническую целлюлозу (пат. № 2425917, № 2464367);
разработаны способы переработки древесных отходов в древесный уголь (пат. № 2463331) и метанол (пат. № 2478604);
разработаны ресурсо- и энергосберегающие технологии и высокоэффективные конструкции оборудования для термической переработки древесных отходов (пат. № 2400671), экструзии древесно-полимерных композитов (пат. № 2422268), экстракции веществ из древесных материалов (пат. № 2404238);
выявлены новые области использования результатов проведенных исследований для смежных отраслей промышленности, новизна решения которых подтверждена патентами РФ на изобретения;
научно обосновано и экспериментально подтверждено, что для интенсификации тепломассообменных процессов система улавливания выделяющихся парогазовых смесей при проектировании термохимических процессов должна вписываться в технологический процесс и изолировать ее от окружающей среды.
Практическая ценность:
Комплексное исследование технологических процессов лесопромышленного комплекса (ЛПК), сопровождающихся выделением парогазовой смеси и разработанные методы расчета позволили: выявить кинетические закономерности совмещенных процессов испарения и конденсации на примере сульфатной варки целлюлозы; разработать рекомендации по сокращению парогазовых выбросов с технологических процессов термической переработки древесных материалов, экструзии древесно-полимерных композитов, экстракции компонентов из древесных материалов; рекомендовать рациональные режимные параметры; создать и реализовать новые технологии термохимической переработки древесных материалов, а также высокоэффективное аппаратурное оформление этих процессов, направленные на сокращение или ликвидацию токсичных парогазовых выбросов.
Разработан экспериментальный стенд и методика исследований и обработки данных, позволившие определить основные закономерности и идентифицировать неизвестные параметры процессов, протекающих при термохимической переработке древесных материалов. Разработанные конструкции пилотных установок и методики их расчета могут быть использованы при проектировании производственных комплексов термохимической переработки древесных материалов. Показана возможность реализации результатов исследований в смежных отраслях промышленности.
Разработана рациональная система газоочистки для периодического процесса сульфатной варки целлюлозы, внедрение которой позволит получить значительный экономический эффект за счет предотвращения экологического ущерба.
Реализация работы:
Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета, конструкторской документации: промышленной установки для улавливания токсичных паров при сульфатной варке целлюлозы на ОАО «МарЦБК»; аппаратурно-технологическом оформлении процесса автогидролиза на ООО «Органика»; усовершенствование технологических процессов извлечения жирных кислот на Казанском ОАО «Нэфис».
Методика расчета процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся парогазовыми выбросами, внедрены в научно-исследовательских центрах: ОАО «ВКНИИЛП», ООО «НТЦ РПО», ООО «НПП Термодревпром», НТЦ «Альтернативная энергетика», ЗАО «Ласкрафт».
Разработанный экспериментальный стенд, методики расчета и программный продукт внедрены в учебный процесс в рамках курсов: «Технологические процессы и оборудование деревоперерабатывающих предприятий» и «Математическое моделирование процессов в деревообработке». Суммарный эффект от внедрения результатов исследований разработок, оформленных соответствующими актами составляет более 3,6 млн. руб.
Основные положения выносимые на защиту:
Решение проблемы, состоящей в создании эффективных технологий и аппаратурном оформлении процессов, сопровождающихся парогазовыми выбросами в атмосферу на основе режимных параметров и конструктивных характеристик, полученных в результате расчета, а именно:
математическое описание технологических процессов, сопровождающихся парогазовыми выбросами в атмосферу
результаты математических и экспериментальных исследований совмещенных процессов испарения и конденсации на примере сульфатной варки целлюлозы.
способы и конструкции установок вышеописанных процессов
методы расчета производственных процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой смеси.
Апробация работы:
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международных симпозиумах: II интернациональном Евроазиатском симпозиуме (Екатеринбург 2007), «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань 2005, 2006, 2007);
на международных конференциях: «Математические методы в технике и технологии» (Санкт-Петербург 2003, Ростов на дону 2003, Кострома 2004), «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск 2007), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» ( Вологда 2008), «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (Пенза 2010); «Леса России в 21 веке» (Санкт-Петербург 2010); «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома 2012);
на всероссийских конференциях: «Интенсификация тепло-массообменых процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань 2005); «Лесной и химический комплексы – проблемы и решения» (Красноярск 2010); Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады (Тула 2010); «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов» (Санкт-Петербург 2011) (Москва 2012, 2013)
на научно-практических конференциях: «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов» (Казань 2006); «Молодая мысль – развитию лесн. Компл» (Братск 2010);
на научных сессиях по технологическим процессам КГТУ-КНИТУ (Казань 2003-2010).
Результаты работ экспонировались на международной выставке научно-технических достижений в Китае (Шеньян 2009), Австрии (Вена 2012), Международной специализированной выставке-форуме «WASMA-2007», Международном экологическом форуме (Санкт-Петербург 2008), Экологическом форуме «Человек. Природа. Техника» (Казань 2007), Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва 2010), Международном конкурсе «Экологически безопасная продукция (Москва 2011). На выставке инновационных решений «Биоиндустрия» (Санкт-Петербург 2012).
Технология экстрагирования веществ из древесных материалов (патент № 2404238) удостоена золотой медали на выставке инновационных решений «Биоиндустрия» (Санкт-Петербург 2012).
Установка термической переработки древесных отходов (патент №2400671) удостоена серебряных медалей на Международной выставке научно-технических достижений в Китае и на международном салоне инновации и инвестиции в Москве.
Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в реестр поставщиков натуральной продукции, отвечающей экологическим требованиям (св-во № 1076).
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 72 печатные работы, в том числе три монографии, 25 статей в ведущих рецензируемых журналах и 21 патентов.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений.
