Содержание к диссертации
Введение 6
1. Теоретические основы пиролиза элементов биомассы дерева 12
1. \, Роль свободных радикалов при пиролизе биомассы древесины 12
1.2. Влияние режимных и сырьевых факторов на выход продуктов пиролиза. 14
2. Некоторые особенности технологии пиролиза измельченных отходов
древесного сырья 21
2-L Пиролиз с внешним нагревом ..... .... . ..25
Пиролиз с газовым теплоносителем 27
Пиролиз с твердым теплоносителем 27
Пиролиз в кипящем слое 28
2.5.Пиролиз с использованием электрического тока. 29
Высокочастотный пиролиз 29
Плазмохимический пиролиз 31
Электротермический пиролиз 33
Термоокислительный пиролиз 34
Абляционный пиролиз 35
Термокаталитический пиролиз 36
Пиролиз в формованном слое 39
3. Характеристика технологии и оборудования производства бионефти и
древесного угля: 41
ЗЛ Реторты шахтного типа..... ..42
Реторта Стаффорда 42
Реторта СІБПС ...43
Реторта Ламбиотта 44
Реторта Карбохима 46
Реторта Славянского 47
Печь - газогенератор ЛТА 49
3.1.7. Реторта Экофора 51
3.2. Реторты барабанного типа 53
Орегонская реторта 53
Барабанная реторта ВНИИТУСа 55
Реторта Р-1000 56
З.З.Шнековые реторты 58
Реторта Зимана 58
Реторта Томсона 59
3.4. Реторта вакуум-пиролиза 60
Реактор пиролиза биомассы Pyrovac 60
Установка с внутрицикловым пиролизом Pyrocycling 61
3.5. Реторты быстрого пиролиза в потоке уноса 63
Реторта быстрого пиролиза Egemin 63
Установка University of Waterloo 65
3.6. Реторты абляционного типа 66
University of Twente 66
ВВС 68
3.7. Реторты кипящего слоя 69
Реторта Фефилова 69
Установки EnsynRTP 70
Установки DynamotiveilTI .....„„_ ___......_._ ..._.„73
3.8. Реторты формованного слоя. 75
3.8.1. Реторта электротермического пиролиза 75
3.8.2.Реторта термоокислительного пиролиза 78
3.83. Реторта Верхотурского КЭЗа 80
4. Экспериментальная часть 87
4.1 .Проведение сравнительных опытов 87
Определение оптимальных условий процесса пиролиза 91
Температура реакционной зоны 93
Скорость нагрева 95
Время пребывания парогазов в реакционной зоне на выход и перераспределение продуктов пиролиза 97
Зависимость выхода продуктов пиролиза от температурно-временных факторов 100
4.5. Роль температурно-временных факторов при ультраоксипиролизе
измельченного древесного сырья 105
5. Разработка программы «POLY.TERM 2». прогнозирования температурных
полей и распределения температур в формованном слое 111
5.1 Обоснование технологии ультрапиролиза в формованном слое 111
5.2.0собенности теплообмена при пиролизе древесины. , , „.115
5.3.Условные обозначения величин и параметров принятые при разработке
программы «POLY.TERM 2» 118
Постановка задачи и ее формулировка 119
Построение решения краевой задачи 121
5.6. Некоторые особенности расчета входных параметров и построения
алгоритма 126
Алгоритмы 127
Проверка адекватности программы «POLY.TERM 2» 130
6. Разработка технологии и оборудования модуля ультраоксипиролиза для
переработки древесной щепы в формованном слое 137
Обоснование проекта 137
Сырьевые ресурсы и место положения производства 139
Описание продукта 141
6.3. Обзор рынка 144
6.4.Технология и оборудование 147
Техническая характеристика модуля 151
Технико-экономическое обоснование 157
Потенциальные риски 158
Выводы 160
Литература 161
Приложение 1. Программа расчета температурного поля «POLY.TERM 2»... 181
Приложение 2. Акты использования результатов диссертационной работы:..202
2 Л. Акт от ООО «Mortestservise Ltd» сертификат на БИО-нефть
от 26.01.2007 г 203
2.2. Акт от ООО «АМК» о приемке исходных данных для проектирования
установки модуля ультраоксипиролиза производительностью
1 т/ч по а.с.д 204
2.3. Акт от ООО «ИНТЕХМАШ» о приемке рабочих чертежей на
изготовление установки модуля ультраоксипиролиза производительностью
1 т/ч по абсолютно сухой древесине 205
Введение к работе
Стоимость ископаемых топлив на рынке с каждым годом постоянно увеличивается, что связано с истощением доступных разведанных месторождений и возрастающей потребностью промышленных мощностей. В условиях глобального роста цен на углеводородное сырье ведется активный поиск альтернативных источников. В сложившейся ситуации использование биомассы возобновляемого сырья для получения энергии становится экономически выгодным.
Древесные отходы нельзя считать качественным топливом, так как такая биомасса, как правило, обладает повышенной влажностью, полифракционностью, разнопородностью и имеет низкую насыпную плотность.
Сравнительная энергетическая плотность топлив из древесной биомассы и традиционных из нефтяного сырья показана в табл.1.
Большинство мировых экспертов склоняются к производству древесных топливных гранул (пеллет), как альтернативе традиционным энергоносителям.
Однако, из приведенных данных следует, что наиболее экономически выгодными характеристиками для потребителя является бионефть (БНФ) и биомасла, как альтернативное котельное и моторное топливо.
Бионефть - наиболее перспективный вид топлива из возобновляемого сырья, т.к. в продуктах её сгорания фактически отсутствуют SOx, а количество образующихся- NOx в половину меньше по сравнению с ископаемыми топливом. Бионефть вследствие ее текучести проще и дешевле транспортировать, хранить и использовать, чем саму древесную биомассу. Особое значение данного продукта проявляется при реализации Киотского Протокола о сокращении парниковых выбросов.
Учитывая нарастающий интерес к бионефти и перспективность данного направления, во всех промышленно-развитых странах интенсивно прорабатываются направления по газификации, ожижению и быстрому
пиролизу биомассы, включая специальные энергетические лесопосадки (ива, тополь, эвкалипт).
Таблица 1.
Энергетическая характеристика топлив.
Общепринятая классическая технология пиролиза древесного сырья ограничена температурным интервалом 400-550 С и средними скоростями нагрева 0,5-1,5 С /мин [1] , что обуславливает очень низкую удельную производительность углевыжигательных печей и реторт в пределах 18,7-266,0 кг ДУ в сутки на 1м . Продолжительность основной технологической операции «досушка-пиролиз-прокалка» более 7 ч даже в случае использования современных вертикальных циркуляционных реторт. Низкие скорости нагрева, а, соответственно, и низкая интенсификация процесса пиролиза приводят в
конечном итоге к низкому выходу древесно-смоляных продуктов (бионефти) из органической части перерабатываемого сырья (до 10-14% от а.с.д.).
Существующее положение подталкивает к разработке принципиально новой технологии ультраоксипиролиза с выходом бионефти более 20% от а.с.д. и достижением удельной производительности по углю более 6000 кг/м3 в сутки, что, как минимум, в 30 раз больше, чем в классических аппаратах пиролиза древесной биомассы.
Целью данной работы является разработатка оптимальной научно-обоснованной экологическибезопасной ресурсосберегающей технологии ультраоксипиролиза измельченных отходов древесной биомассы с получением бионефти и древесного угля, а также разработка оборудования транспортабельного модуля ультраоксипиролиза мощностью 1 т/час по сырью с получением 1440 т/год бионефти о 1080 т/год древесного угля. Данная > установка позволяет достичь максимального экономического и экологического эффекта при переработке измельченного древесного- сырья в альтернативное топливо.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Рассмотреть особенности технологий быстрого пиролиза отходов-древесного сырья, выполнить анализ существующих промышленных отечественных и зарубежных установок ультрапиролиза.
Изучить влияние температурно-временных факторов на динамику выхода и состав получаемых продуктов ультраоксипиролиза;
Рассмотреть существующие математические методы расчета
температурных полей ультрапиролиза в противотоке сырья и газового теплоносителя. На основе существующей программы "POLY.TERM" разработать новую программу расчета температурных полей "POLY.TERM 2", позволяющую получать корректные значения распределения температур процесса ультрапиролиза при противотоке газового теплоносителя и
древесного сырья в плотном слое;
Рассчитать температурные поля при интенсификации процесса пиролиза и скоростях газового теплоносителя выше скорости витания частицы;
Экспериментально апробировать процесс скоростного пиролиза, получить экспериментальные данные и дать сравнительную оценку с данными, полученными расчетным путем для последующего проектирования пилотного модуля ультрапиролиза.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработь технологию и оборудование модуля ультраоксипиролиза мощностью 1 т/час по сырью с получением бионефти и древесного угля.
В аналитическом обзоре диссертации (глава 1,2,3) рассмотрены существующие теоретические основы образования продуктов пиролиза при* интенсивных методах подвода тепла. Рассмотрено влияние сырьевых и режимных факторов на выход и качество продуктов пиролиза. Представлены некоторые особенности технологии пиролиза отходов древесного сырья: пиролиз с внешним нагревом, пиролиз с газовым теплоносителем, пиролиз в кипящем слое, высокочастотный пиролиз, плазмохимический пиролиз, электротермический пиролиз, термоокислительный пиролиз, пиролиз в восстановительной среде, абляционный пиролиз, термокаталитический пиролиз. Выполнен обзор по современному состоянию и перспективам развития технологий быстрого пиролиза биомассы. Проведено сравнение характеристик отечественного и зарубеяшого оборудования по основным параметрам: единичная мощность, металло-, энерго-, трудозатраты на единицу продукции.
В экспериентальной части (глава 4) приведены результаты исследовательской деятельности. На первом этапе экспериментальой работы были проведены предварительные опыты на установке периодического пиролиза и получены данные по изучению влияния скорости нагрева на выход конечных продуктов пиролиза древесины. Hai втором этапе
экспериментальной работы на установке непрерывного пиролиза изучалась зависимость и влияние режимных факторов, таких как температура реакционной зоны, скорость нагрева, время пребывания парогазов на выход и качество продуктов пиролиза. Проведена серия опытов при температурах 500, 600, 700, 800, 900, 1000 С, скоростей нагрева от 2,2 до 10 С/с (метод теплового удара) и времени пребывания парогазов в реакционной зоне в интервале тПг = 0,01 - 23,80 с. В результате проведенных опытов установлено наличие определенного температурного предела устойчивости парогазовой смеси пиролиза древесины, который определяется интервалом^ температур 800-1000 С, т.к. при температуре 1000 С и тпг более 0,03 с наблюдается интенсивное газообразование.
Из полученных исследовательских данных следует, что для пиролиза с целью увеличения выхода угля необходим постепенный нагрев с регулированием температуры экзотермического выделения тепла. Для сохранения состава и выхода жидких продуктов пиролиза температура реакционной зоны не должна превышать 800 - 900 С при минимальном тпг . Высокий выход н/газов возможен при температуре реакционной зоны не менее 800 С и времени пребывания парогазов более 0,5 с.
В методической части (глава 5) представлена разработанная программа "POLY.TERM 2", позволяющая осуществлять прогнозирование температурных полей и распределения температур в формованном слое. Разработанная программа "POLY.TERM 2" позволяет решить следующие задачи; рассчитать распределение температурного поля внутри частиц сырья в определённое время и в заданном сечении по длине реторты; определить целесообразно-необходимую длину \высоту\ реторты для проведения пиролиза в минимальное время; исследовать влияние входных параметров: скорость и температура теплоносителя, размеры частиц и влажность сырья, а также породы древесины и т.д. на конечные результаты пиролиза; определить среднюю по массе
температуру кускового сырья в процессе переработки, а также распределение температур газового теплоносителя по длине реторты.
В главе 6 представлена разработанная технология и оборудование модуля ультраоксипиролиза по переработке древесных лесосечных отходов в формованном слое производительностью 1 т/ч по сырью с получением бионефти и древесного угля.
Настоящая работа стоит в ряду исследований, посвященных быстрой термической переработке биомассы в формованном слое. [2-5].
Большое внимание направлено на изучение скоростного пиролиза с получением древесно-смоляных продуктов как бионефти с варьированием температуры обработки, скорости нагрева сырья, времени пребывания парогазов в реакционном пространстве и т.д.
Высокие цены на нефть обуславливают целесообразность замены ископаемых топлив на возобновляемое экологически чистое топливо. Актуальность биотоплива во всем мире несомненна. Однако, в России практически полностью отсутствует какая-либо информация по непрерывному скоростному пиролизу, как наиболее перспективному методу получения альтернативных энергоносителей. Всвязи с этим автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., проф. Пиялкину В.Н., маг. Пильщикову Ю.Н., маг. Спицину А.А., инж- Молоддеву Ю.А. за помощь в освещении данной проблемы и написании работы.
