Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из актуальных проблем современного мира является поиск и нахождение возобновляемых энергетических и сырьевых ресурсов, которые могли бы составить достойную конкуренцию нефти и природному газу, мировые запасы которых медленно уменьшаются, а цены непрерывно растут.
Одним из таких источников можно рассматривать биомассу, основную долю которой составляет древесина. Весомым достоинством древесины как топлива является низкое содержание серы и других вредных примесей в ее составе, а также воспроизводимость данного источника энергии. При правильном подходе к использованию лесных ресурсов мы получаем практически неисчерпаемый энергетический и сырьевой ресурс.
На предприятиях лесопромышленного комплекса ежегодно образуются миллионы тонн древесных отходов. Основным способом их утилизации на сегодняшний день является прямое сжигание с получением тепловой энергии.
Перспективным и более эффективным методом является процесс газификации с получением генераторного газа, который может использоваться как для получения тепловой энергии, так и для производства продуктов химической промышленности. В химической промышленности используется синтез-газ - смесь водорода и окиси углерода, который является основным сырьем в производстве метанола, диметилового эфира, моторного топлива и других химических продуктов.
Проведенные аналитические исследования показали, что генераторный газ, по составу максимально приближенный к синтез-газу, можно получить паровой конверсией древесного угля, которая осуществляется через стадию пиролиза древесных отходов с последующей газификацией полученного древесного угля. Данное направление мало изучено, промышленных установок паровой конверсии древесного угля не существует. В связи с этим изучение процесса паровой конверсии древесного угля и разработка технологии получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов, является актуальной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с заданием Министерства образования РФ в рамках НИР №0120.0852795 «Исследование процессов высокотемпературного горения органических соединений» а также 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».
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.
В работах Шелдона Р.А., Караханова Э.А., Панцхава Е.С., Курбатова Н.И., Кузнецова Б.Н. рассматриваются способы получения и последующего использования синтез-газа для производства продуктов химической промышленности.
Несмотря на большое количество научных работ в области газогенерации следует отметить, что отсутствуют работы по комплексной переработке древесных отходов, направленные на получение генераторного газа требуемого состава для энергетического или сырьевого назначения. Цель работы
Состоит в исследовании процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля, оптимизации режимных параметров в восстановительной зоне с целью получения генераторного газа требуемого состава, разработке методов расчета и аппаратурного оформления процесса газогенерации.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
-
Идентифицировать физическую картину процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля;
-
Разработать алгоритм выбора эффективной технологии переработки древесных отходов;
-
Разработать экспериментальный стенд для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля;
-
На основании результатов физического и математического моделирования выявить влияние параметров процесса на состав образующегося генераторного газа;
-
Разработать методику расчета рабочих элементов опытно- промышленной установки.
Научная новизна.
Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную переработку древесных отходов в генераторный газ в зависимости от назначения получаемого газа и характеристик исходного сырья.
Моделированием процесса определен характер влияния температуры, фракционного состава, скорости дутья на состав образующегося генераторного газа.
Установлено, что: для получения тепловой энергии целесообразно проводить прямоточную газификацию с режимными параметрами: интервал рабочей температуры 850-950 С, оптимальная скорость дутья 6-7,5 м/с, время контактирования в восстановительной зоне 10-20 сек.; для получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов, целесообразно проводить паровую конверсию древесного угля с режимными параметрами: интервал рабочей температуры 950-1000 С, оптимальная скорость дутья 6-6,5 м/с, время контактирования с перегретым паром 12-15 сек.
Разработан способ переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями в тепловую энергию.
Разработан способ получения генераторного газа, пригодного для синтеза новых продуктов химической промышленности.
Практическая ценность.
Полученные результаты дают возможность определить оптимальные режимы термической переработки древесных отходов в генераторный газ в зависимости от назначения получаемого газа и свойств исходного сырья. На базе полученных данных разработаны и реализованы опытно-промышленные установки для переработки древесных отходов в генераторный газ, пригодный для производства новых продуктов и для переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями в тепловую энергию.
Разработаны новые высокоэффективные конструкции оборудования и технологические рекомендации, направленные на обеспечение максимальной эффективности процесса прямоточной газификации и паровой конверсии древесного угля.
Реализация работы.
Результаты проведенных в работе исследований реализованы при проектировании опытно-промышленной установки для переработки древесных отходов в генераторный газ, по составу максимально приближенный к синтез- газу, внедряемой в настоящее время в учебный научно-производственный комплекс ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» г. Казань.
Газогенератор для переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями внедрен в ООО «Органика» г. Казань
Созданный экспериментальный стенд для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля внедрен в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» для подготовки бакалавров по направлению 151000.62 «Технологические машины и оборудование».
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 восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля; проведены экспериментальные исследования, разработаны и реализованы: опытно-промышленная установка переработки древесных отходов в генераторный газ, пригодный для производства новых продуктов; газогенератор для переработки древесных отходов с высокой влажностью и полимерными включениями (положительное решение по заявке № 2011104940 РФ). Автор подготовил научные публикации по теме диссертации.
Автор защищает:
-
-
Способ переработки древесных отходов в генераторный газ, пригодный для производства новых продуктов, через стадию получения древесного угля с последующей паровой конверсией;
-
Способ переработки высоковлажных древесных отходов с полимерными включениями в тепловую энергию;
-
Конструкцию экспериментального стенда для исследования восстановительной зоны процесса прямоточной газификации древесных отходов и паровой конверсии древесного угля;
-
Результаты экспериментального исследования процессов, протекающих в восстановительной зоне реактора прямоточной газификации древесных отходов и при паровой конверсии древесного угля;
-
Методику расчета и схему опытно-промышленных установок термохимической переработки древесных отходов в генераторный газ требуемого состава.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях КНИТУ (Казань, 2010-2013), 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), на третьей Региональной научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (Казань, 2012).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 1 монография, 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 1 положительное решение о выдаче патента по заявке № 2011104940 РФ.
Объем и структура работы.
Похожие диссертации на Совершенствование технологии переработки древесных отходов в генераторный газ
-
