Введение к работе
Актуальность темы
Мировые запасы нефти и газа постоянно уменьшаются, вследствие чего переход к возобновляемым ресурсам является одной из наиболее актуальных проблем экономики и промышленности. Это обстоятельство заставляет исследователей искать более технологичные возобновляемые и дешевые источники сырья и энергии, одним из которых является биомасса древесины. Однако использование биомассы в качестве топлива и химического сырья в ряде случаев малоэффективно ввиду того, что она рассеяна по территории, имеет малую транспортную плотность и практически не приспособлена к существующей производственной инфраструктуре, ориентированной на потребление ископаемых ресурсов. Минимизировать негативное влияние данных факторов возможно с помощью предварительной децентрализованной переработки растительной биомассы в промежуточные продукты с более высокой плотностью, которые в дальнейшем могли бы перерабатываться на крупных промышленных центрах с получением традиционных продуктов нефтехимии. Термохимическая переработка является одним из неселективных методов переработки древесиной биомассы в твердые, жидкие и газообразные продукты, причем наибольший интерес при вовлечении растительного древесного сырья в существующую нефтехимическую инфраструктуру представляют жидкие продукты. Максимизировать выход жидких продуктов при термическом разложении древесины можно путем увеличения скорости нагрева и снижением продолжительности пребывания продуктов в зоне реакции, за счет уменьшения размера перерабатываемого сырья и скорости охлаждения парогазовой смеси. Высокая скорость нагрева в сочетании с низким временем пребывания продуктов достигается на практике в реакторах кипящего слоя. Причем от организации процесса конденсации парогазовой смеси, образовавшейся при термическом разложении древесины в кипящем слое, зависит как количественный, так и качественный состав отбираемых продуктов, а значит и эффективность переработки. Поэтому исследование процессов, протекающих при термическом разложении древесины в кипящем слое и конденсации парогазовой смеси, и совершенствование технологических режимов является актуальным.
Работа выполнена при поддержке: гранта № 09-4-Н4.4-0133 по программе Старт.
Цель работы
Состоит в исследовании совокупности процессов, протекающих при термическом разложении древесины в кипящем слое и конденсации продуктов разложения.
В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ научных основ и технологий в области
термохимической переработки древесины.
2. Разработать комплексную математическую модель, учитывающую
процессы термического разложения древесины и конденсации жидких продуктов
термического разложения.
3. Изготовить экспериментальный стенд для изучения процессов
термического разложения древесины в кипящем слое и конденсации паров
термического разложения.
4. Исследовать основные физико-химические свойства жидких продуктов
термического разложения древесины.
Научная новизна
1. Разработана математическая модель учитывающая: термическое
разложение древесины в условиях кипящего слоя, вторичное разложение
парогазовой смеси в газоходах и конденсацию паров.
В результате физического и математического моделирования определены профили температуры и концентрации продуктов термического разложения при быстром пиролизе в условиях кипящего слоя и конденсации парогазовой смеси в прямоточном потоке с распыленным хладагентом.
Проведено исследование состава и физико-химических свойств (химический состав, коэффициент кинематической вязкости, давление паров, плотность, активность ионов водорода и др.) жидких продуктов термического разложения древесины, полученных в условиях кипящего слоя.
4. Наедены эмпирические выражения для определения коэффициента
кинематической вязкости и давления паров пиролизной жидкости.
5. Разработана технология термической переработки древесины в кипящем
слое, определены технологические параметры процесса
Практическая ценность
Разработана и реализована методика расчета процесса термической переработки древесины в условиях кипящего слоя, позволяющая рассчитать основные режимы и геометрические характеристики оборудования. Определены режимные параметры процессов промышленного комплекса для термохимической переработки древесных отходов. Разработано аппаратурное оформление процесса конденсации продуктов разложения древесины, внедрение которого позволяет повысить эффективность работы установок пиролиза отходов деревообработки и низкокачественной древесины.
Реализация работы
Результаты теоретических и экспериментальных исследований применены в учебном процессе по курсу «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» и реализованы при создании методики расчёта и проектировании узлов в составе промышленного комплекса установки для термохимической переработки древесных отходов, внедренной на ГБУ РТ «Пригородное лесничество».
Автор защищает:
Математическую модель, учитывающую процессы термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и конденсации продуктов термического разложения древесины.
Результаты математического моделирования процессов термического разложения древесины и конденсации парообразных продуктов термического разложения древесины.
Результаты исследований состава и физико-химических свойств жидких продуктов быстрого пиролиза.
Технологическую схему узла конденсации в составе пилотной установки для термохимической переработки древесных отходов.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы», г. Казань 2008; Международной Научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», г. Вологда 2008, Международном симпозиуме «Энергоресурсоэфективность и энергосбережение», г. Казань 2009; Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г. Казань 2009; Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» -ММТТ-22 Псков 2009; IV Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире», г. Чита 2009; Международном конгрессе «Биомасса: топливо и энергия», г. Москва 2011.
Личный вклад автора
Вклад автора заключается в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. Автором изготовлены лабораторные установки; выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ. Публикации
По результатам выполненных исследований автором опубликовано 16 печатных работ, из которых 5 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, и 1 патент РФ.
Объем и структура работы
