Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в рамках направления рационального природопользования актуальной проблемой является переработка влажных древесных отходов, которые в огромных количествах скапливаются не только на территориях деревообрабатывающих предприятий, но и на лесосеках и лесхозах по всей России. Возможна переработка влажных отходов путем сжигания в печах для получения только тепловой энергии, требующая дополнительных затрат на предварительную сушку таких отходов. В связи с этим, переработка влажных древесных отходов в тепловую энергию имеет низкую эффективность. При выработке метанола появляется возможность утилизации тепла химической реакции и повышения тем самым эффективности процесса переработки таких отходов. При правильном подходе к использованию лесных ресурсов из древесных отходов можно получить возобновляемый сырьевой ресурс. Поэтому очень важным является разработка технологии термохимической переработки путем газификации древесных отходов, позволяющая помимо полной утилизации отходов получить синтез-газ, который в дальнейшем можно использовать в химической промышленности.
Синтез-газ (смесь оксида углерода и водорода) является исходным сырьем для ценных химических продуктов, в том числе метанола. В известных технологиях процесс производства метанола осуществляется конверсией природного газа в синтез-газ с последующим каталитическим синтезом метанола.
Наиболее эффективным методом переработки влажных древесных отходов является использование генераторного газа, полученного путем газификации древесных отходов, в качестве сырья для получения метанола. Получаемый при этом газ не содержит примесей серы. Однако при совмещенных процессах газификации древесных отходов и каталитического синтеза метанола усложняется прогнозирование регулирующих параметров и конструктивных особенностей установки. Зависимость состава синтез-газа и качества метанола от параметров вышеуказанных процессов требует специального подхода к организации технологического процесса и проектированию оборудования. Поэтому разработка технологий, позволяющих эффективно перерабатывать влажные отходы деревообработки с последующим каталитическим синтезом метанола, является актуальной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с заданием Министерства образования РФ в рамках НИР №0120.0852795 «Исследование процессов высокотемпературного горения органических соединений» и при поддержке: гранта по программе «Старт 1» договор № 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».
Степень проработанности проблемы
Вопросам термической переработки древесных отходов посвящены работы Канторовича Б.В., Кутева И.Г., Юдушкина Н.Г., Семенова Ю.П., Мингалеевой Г.Р., Таймарова М.А., Гроо А. А.
В работах Кутепова А.М., Караваева М.М., Смирнова Н.Н., Бондаревой Н.И. рассматриваются технологии производства метанола и оборудование, а также его дальнейшее использование в химической промышленности.
Несмотря на большое количество научных работ в области термохимической переработки древесных отходов следует отметить, что отсутствуют работы по комплексной переработке влажных древесных отходов, направленные на получение генераторного газа для дальнейшего получения метанола.
Цель работы.
На основе исследований термохимической переработки высоковлажных древесных отходов разработать технологию, методы расчета и аппаратурное оформление процесса получения метанола из влажных древесных отходов путем газогенерации.
В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
-
Определить характер влияния свойств древесины и режимных параметров процесса газификации на состав генераторного газа;
-
Идентифицировать физико-химическую картину совокупности процессов газификации древесных отходов и каталитического синтеза метанола;
-
Разработать экспериментальный стенд и провести исследование процесса получения метанола из древесных отходов;
-
На основании результатов моделирования выявить влияние параметров процесса на качество образующегося метанола;
-
Разработать методику расчета для проектирования рабочих элементов опытно-промышленной установки;
-
Промышленно реализовать результаты теоретических, экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна
Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную переработку влажных древесных отходов в метанол через стадию газификации.
В результате экспериментальных исследований определен характер влияния влажности древесных отходов на состав генераторного газа.
Установлен механизм кондуктивной сушки древесных отходов и получены зависимости влияния температуры теплоносителя и влажности материала на длительность процесса сушки.
Разработана математическая модель процесса сушки древесных отходов за счет теплоты химических реакций.
Определен характер влияния температуры и давления в реакторе на выход метанола.
Разработан способ получения синтетического метанола из влажных древесных отходов.
Практическая ценность.
Результаты моделирования совокупности процессов газификации древесных отходов и каталитического синтеза метанола позволяют получить данные о влиянии свойств древесины на процесс и состав продуктов термического разложения древесины в зависимости от режимных параметров. На базе полученных данных разработаны и реализованы опытно -промышленные установки для переработки влажных древесных отходов в синтез газ и дальнейшей переработки его в метанол. Были определены оптимальные режимные параметры процесса сушки влажных древесных отходов при кондуктивном подводе тпла. Разработано и защищено патентом аппаратурное оформление процесса переработки влажных древесных отходов в метанол.
Реализация работы.
Результаты проведенных в работе исследований реализованы при проектировании опытно-промышленной установки для газификации влажных древесных отходов с дальнейшим получением метанола, внедряемой в настоящее время в учебно-научно-производственном комплексе ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» г. Казань.
Установка для термической переработки высоковлажных древесных отходов внедрена в ЗАО «Ласкрафт» г. Казань.
Создан экспериментальный стенд для исследования процесса переработки влажных древесных отходов в метанол и внедрен в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».
Личный вклад автора.
Автором была разработана основная идея диссертации, сформулирована задача исследования. В ходе выполнения работы при непосредственном участии автора изготовлен экспериментальный стенд для исследования процесса получения метанола путем газификации влажных древесных отходов; проведены экспериментальные исследования, разработаны и реализованы: опытно- промышленная установка переработки влажных древесных отходов в генераторный газ с последующим получением метанола; газогенератор для газификации влажного топлива (Пат. №2453768), способ получения метанола (положительное решение по заявке №2012107545 РФ).
Автор защищает:
-
способ переработки высоковлажных древесных отходов в генераторный газ;
-
способ переработки древесных отходов в метанол;
-
конструкцию экспериментального стенда для исследования совмещенных процессов газификации влажных древесных отходов и каталитического синтеза метанола;
-
результаты моделирования и проведенных экспериментальных исследований совмещенных процессов газификации влажных древесных отходов и каталитического синтеза метанола;
-
методику расчета и схему опытно-промышленных установок термохимической переработки влажных древесных отходов в синтез-газ с последующим получением метанола.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях КНИТУ (Казань, 2010-2013), на пятой Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011), на 4-й научно- практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011» (Москва, 2011), на Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты» (Казань, 2011), на третьей Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, 2012).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 монография, 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ (№2453768), и 1 положительное решение о выдаче патента по заявке №2012107545 РФ.
Объем и структура работы.
