Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Ресурсы древесины 10
1.2 Основные направления использования древесных отходов 12
1.3 Обзор технологий переработки древесных отходов для получения тепловой энергии
1.3.1 Прямое сжигание древесных отходов 16
1.3.2 Термические технологии переработки древесины в топливные ресурсы
1.3.2.1 Газификация древесины 18
1.3.2.2 Производство древесного угля 19
1.3.3 Производство древесного топлива, полученного путем прессования измельченных древесных отходов
1.3.3.1 Топливные брикеты из древесных отходов 21
1.3.3.2 Производство древесных гранул
1.4 Процессы сжигания древесины 29
1.5 Процесс торрефикации древесной биомассы 30
1.6 Выводы, цель и задачи диссертационного исследования 35
2 Теоретическое исследование процессов торрефикации и гранулирования древесины
2.1 Разработка математической модели процесса торрефикации древесины
2.2 Разработка математической модели процесса прессования торрефицированной древесины
3 Экспериментальное исследование процесса торрефикации измельченной древесины
3.1 Отбор проб и подготовка материала для процесса торрефикации
3.2 Экспериментальный стенд для торрефикации древесины 57
3.3 Методика и результаты проведения разведывательных экспериментов
3.4 Методика и результаты исследования процесса торрефикации фракционированной древесины
3.5 Определение сорбционных свойств торрефицированной фракционной древесины
3.6 Определение элементного состава древесных опилок 83
3.7 Методика определения теплотворной способности торрефицированной фракционированной древесины
3.8 Методика определения зольности древесных опилок 90
4 Экспериментальное исследование процесса гранулирования торрефицированной древесины
4.1 Подготовка проб торрефицированного древесного материала к процессу прессования
4.2 Экспериментальный стенд для исследования процесса прессования торрефицированной древесины
4.3 Методика проведения и результаты экспериментальных исследований процесса гранулирования торрефицированной древесины
4.4 Определение плотности гранул из торрефицированной древе- 117 сины
5 Технологическая схема переработки мягких древесных отходов в высокопо-тенциальное древесное топливо
Основные выводы и рекомендации 125
Список литературы 127
- Прямое сжигание древесных отходов
- Разработка математической модели процесса прессования торрефицированной древесины
- Методика и результаты проведения разведывательных экспериментов
- Экспериментальный стенд для исследования процесса прессования торрефицированной древесины
Прямое сжигание древесных отходов
Оценка свойств древесины как топливного материала проводится по ряду характеристик: теплота сгорания, химический состав, влажность, твердость, количество летучих веществ, количество твердого углерода, содержание и состав золы, характеристики плавления золы, характеристики ошлако-вания золы, количество загрязняющих веществ, пыли, спор грибов [31].
Основными компонентами клеток древесины являются целлюлоза, ге-мицеллюлоза и лигнин, которые составляют 99% массы древесного материала [19]. Целлюлозу и гемицеллюлозу образуют длинные цепи углеводородов (глюкоза), лигнин же является осложненным компонентом полимерных фе-нольных смол. Лигнин тесно связан с гемицеллюлозой, он действует как адгезивный элемент, склеивая пучки цепей целлюлозы и растительные ткани. Таким образом, лигнин придает растению механическую прочность. Он содержит большое количество углерода и водорода, являющимися основными элементами производства теплоты, следовательно, лигнин изначально обладает более высокой теплотворной способностью. Древесина и кора содержат экстрактивные вещества: терпены, жиры и фенолы.
Половина массы свежесрубленного дерева состоит из содержащейся в древесине воды [19]. Другая часть представляет собой древесное вещество, содержащее 85% летучих веществ, 14,5% твердого углерода и 0,5% золы. В сухой древесине общее содержание углеродного компонента составляет около 50% [49].
При сжигании древесины составляющие ее компоненты превращаются в водяной пар (Н20), двуокись углерода (С02), окислы азота (NOx), окись серы (SO2) и золу. Древесина практически не содержит серы, максимальное содержание серы в древесине 0,05%. Теплотворные характеристики различных типов топлива зависят от соотношения содержащихся в них элементов. Высокое содержание кислорода в древесине снижает теплоту сгорания, а углерод и водород увеличивают. По сравнению с другими видами топлива древесина имеет довольно низкое содержание углерода (около 50% сухого веса) и высокое содержание кислорода (около 40%), и, следовательно, довольно низкую теплоту сгорания на единицу сухого веса. Древесина и кора обладают низким уровнем зольности при сгорании. Один кубический метр древесного топлива дает 3-5 кг чистой золы.
Горючую часть твердого топлива можно разделить на две группы: летучие вещества и твердый углерод [39]. Древесина имеет высокое содержание летучих веществ и низкое содержание твердого углерода. Восемьдесят процентов энергии древесина генерирует за счет сгорания летучих веществ и двадцать процентов - в результате сгорания твердого углерода (раскаленные угли). Так как из-за большого количества летучих веществ, содержащихся в древесине, при ее горении образуются высокие языки пламени, для сгорания топлива требуется значительное пространство.
Древесные отходы, образующиеся в процессе лесозаготовки и переработки древесины, имеют низкую теплоту сгорания 8,4 - 15,5 мДж/кг [13] и малую насыпную плотность 80 - 350 кг/м .
Низкая теплота сгорания древесных отходов исключает возможность их использования в ведении высокотемпературных процессов, снижает тепло-производительность.
Большое значение приобретают вопросы транспортной логистики, связанные с насыпной плотностью древесных отходов, массой, размерами, степенью сохранения качественных показателей, возможностью механизации по-грузочно-разгрузочных работ. В исходном виде древесные отходы имеют высокую влажность, низкую насыпную плотность, что определяет их малую транспортабельность. Среди технологических направлений извлечения потенциальной энергии из отходов древесины можно выделить (рисунок 1.1): прямое сжигание, газификация, пиролиз, биогазификация, сжижение, брикетирование.
Наиболее изученным и распространенным является метод прямого сжигания древесных кусковых отходов древесины, топливной щепы, опилок, коры в топках теплогенераторов. В качестве полезного продукта получают тепловую энергию, которая может быть далее преобразована в электрическую.
Существуют разработки проектов крупногабаритных котлов с КПД 80 %, конструкции таких котлов очень сложны [58]. Помимо затрат на их изго товление и обслуживание, возникают задачи обеспечения доставки больших объемов топливной древесины и подготовки ее к сжиганию. Прямое сжигание может быть рентабельно при получении тепла в небольших установках из дешевых древесных отходов непосредственно на месте их образования. Такие установки дешевле и проще в эксплуатации, но их КПД не превышает 70 % [65].
Основополагающими факторами, затрудняющими использование древесных отходов с целью получения энергии, являются высокая влажность и фракционный состав. Фракционный состав древесных отходов может изменяться в больших пределах в зависимости от источника образования. Размеры фракций отходов древесины, полученных в результате окорки и лесопиления, могут отличаться в тысячи раз [143]. Влажность опилок достигает 74 %, коры 80 %, топливной щепы 67 %. Влажность древесины повышается при сплаве и водной сортировке круглых сортиментов, соответственно увеличивается и влажность отходов переработки [74]
В России наибольшее применение в качестве сырья для получения энергии методом прямого сжигания получила топливная щепа. Это наиболее стабильный по логистике энергоноситель, так как круглогодичность технологических процессов деревопереработки обеспечивает ритмичность производства топливной щепы. Топливную древесную щепу часто производят из различных пород с различным соотношением стволовой древесины, коры, листвы, ветвей, почек, шишек, содержание которых изменяет свойства топлива. Наиболее востребована топливная щепа из стволовой древесины, так как она содержит наименьшее количество коры и других включений.
Высокая сорбционная способность древесины ведет к увеличению влажности топлива, по этой причине топливная щепа требует соблюдения особых условий хранения. Топливная щепа имеет низкую насыпную плотность, что ведет к нерентабельности перевозки ее на большие расстояния. Энергетическая ценность щепы составляет 1,9 - 2,2 ккал/кг [16]. Исследованиями вопросов прямого сжигания кусковых отходов древесины в энергетических целях занимались ЦНИИМОД, АЛТИ, ЦНИИМЭ.
Фундаментальные работы по изучению особенностей древесных отходов как топлива были проведены В.В. Померанцевым, М.М. Цывиным, И.Ф. Копериным, СИ. Головковым, В.И. Найденовым, Б.В. Канторовичем, Ф.И. Зыковым и др.
Разработка математической модели процесса прессования торрефицированной древесины
Полагая, что скорость испарения влаги подчиняется уравнению Аррениу-са, получим уравнение скорости изменения массы выделенного элемента древесной массы как сумму скоростей образования газообразных и жидких компонентов реакции пиролиза: где индексами 1, 2 и 3 обозначены реакции образования пара, газообразных и жидких компонентов пиролиза соответственно, W — исходная влажность древесного сырья. Процессы распада древесины и испарения воды происходят по всему объему выделенного элемента и сопровождаются процессами поглощения тепла, то выделенный элемент содержит внутренние источники теплоты мощностью qv.
Уравнение энергии для переноса теплоты в материале из системы уравнений (2.3) при наличии внутренних источников тепла в сферической системе координат имеет вид [23]: где qv — мощность внутренних источников тепла, Вт/м . Мощность внутренних источников теплоты представляет собой сумму мощностей на испарение влаги, на образование газообразных и жидких продуктов разложения древесины (все реакции эндотермические): теплота реакций испарения влаги, образования газообразных и жидких продуктов разложения древесины соответственно.
С учетом выше приведенного система дифференциальных уравнений для нахождения времени испарения влаги тии разложения древесины тэ р принимает вид (с учетом, что Т = $ + іж + 273 = $ + Тж):
К сожалению, данная система дифференциальных уравнений не поддается аналитическому решению, но данная модель позволила определить целевую функцию и значимые параметры для составления регрессивной модели процесса торрефикации. Целевой функцией является минимизация массового выхода тор-рефицированной древесины, а значимыми параметрами являются фракционный состав исходного сырья d4, исходная влажность древесного сырья W и температура греющей среды іж. 2.2 Разработка математической модели процесса прессования торрефицированной древесины
Для производства древесных гранул используется принцип формования гранул, который заключается в продавливании древесного сырья прижимными валками через перфорированные поверхности.
Полученные в процессе прессования древесные гранулы представляют собой твердое упруго-деформируемое тело.
Для разработки математической модели [46] процесса разделим технологический процесс формирования гранулы на четыре зоны (рисунок 2).
В зоне I происходит уплотнение поступившей древесной шихты. На поверхности матрицы образуется слой спрессованной древесной шихты в виде тонкостенного цилиндра (для прессов с цилиндрической матрицей) или плос кого диска (для прессов с плоской матрицей). Часть этого слоя при прохождении ролика над входным отверстием фильеры матрицы выдавливается через входной конический канал 4 (рисунок 2.2) в калибровочный цилиндрический канал 3 матрицы 2. Удаленное количество спрессованной древесной шихты восполняется за счет прессования поступившей свежей порции древесной шихты. В этой зоне давление прессовочного ролика 1 достигает значения, достаточного для проталкивания спрессованной древесной массы через коническую фаску и калибровочный цилиндрический канал матрицы. Древесная шихта пластически деформируется до максимальной для этого давления плотности. После прохождения ролика оставшаяся часть спрессованной шихты упруго расширяется.
Зона II - это зона формирования цилиндрической гранулы в конической фаске цилиндрического отверстия матрицы. В этой зоне происходит впрессов-ка древесной шихты в цилиндрический канал матрицы. При этом через конический канал происходит истечение спрессованной древесной шихты в цилиндрический канал матрицы. Давление в этой области меньше давления прессования под роликом, вследствие чего находящийся здесь объем спрессованной древесной шихты подвергается упругопластическим деформациям без изменения плотности шихты. В этой зоне за счет пластических деформаций спрессованная древесная шихта переходит от формы усеченного конуса к форме цилиндра.
Зона III представляет собой цилиндрический канал матрицы, в котором стабилизируется и закрепляется цилиндрическая форма древесной гранулы, а спрессованная древесная шихта испытывает только упругие деформации. Протяженность цилиндрического канала матрицы во многом определяет давление прессования р0, следовательно, и плотность спрессованной древесной гранулы.
Зона IV - это зона выхода спрессованной гранулы из цилиндрического канала матрицы. Так как спрессованная древесная цилиндрическая гранула находится под действием давления упругих деформаций, то в момент выхода древесной гранулы из цилиндрического канала матрицы боковое давление со стороны матрицы на древесную гранулу снижается до атмосферного и происходит увеличение наружного диаметра древесной гранулы на величину упругих деформаций. Резкое увеличение наружного диаметра гранулы может привести к образованию трещин на грануле и даже к ее разрушению. Во избежание этого на выходе из цилиндрического канала матрицы выполнен выходной конический канал 5, что обеспечивает плавное снижение упругих деформаций по мере продвижения гранулы по длине фаски.
Из выше сказанного следует, что величина давления прессования р0 определяется перепадом давлений на входном коническом и цилиндрическом участках фильеры матрицы. Так как основными процессами формирования древесной гранулы являются упругопластические деформации, то для определения перепада давлений на указанных участках воспользуемся основными положениями теории упругих и пластических деформаций [51].
Методика и результаты проведения разведывательных экспериментов
Определение элементного состава древесных опилок исходных и после термической обработки проводилось в ЦКП «Арктика».
Для определения использовался элементный анализатор EvroEA 3000 (EvroVector, Италия), конфигурациия [CNHS] Single (рисунок 3.25).
Опытыпроводили при высокотемпературном сжигании пробы в присутствии кислорода с последующим газохроматографическим разделением в насадочной колонке и детектированием продуктов сгорания при помощи высокочувствительного катарометрического детектора. Рисунок 3.25 - Анализатор EvroEA 3000
Навески образцов массой 0,4..1 мг загружались в автосэмплер, откуда подавались в реактор, представляющий собой кварцевую трубку, заполненную смесью катализаторов, находящуюся при высокой температуре (980 С), куда также подавался определенный объем кислорода. Верхний слой катализатора представляет собой оксид вольфрама, который катализирует сжигание образца, нижний слой - медь повышенной чистоты, восстанавливающую окислы азота до молекулярного азота. Полученные таким образом продукты сгорания в виде смеси индивидуальных компонентов (углерод в виде С02, водород в виде Н20, азот в виде N2, сера в виде S02) поступали в хроматографи-ческую колонку, где разделялись и определялись при помощи высокочувствительного катарометрического детектора. Полученные количества компонентов автоматически (с применением результатов градуировки по стандартному веществу) пересчитывались в массовую долю определяемых элементов.
Для экспериментальных исследований на элементный состав подготовлены пробы торрефицированной древесины, полученной при температуре 250, 270, 290 С при продолжительности процесса до 240 мин. с интервалом 30 мин. Пробы приведены к одному весу 1 ±0,1 г. Подготовлено по три однородные пробы, среднеарифметические значения выходных параметров которых были использованы для получения результатов.
Методика определения теплотворной способности гранулированной торрефицированной фракционной древесины.
Теплота сгорания является основной теплотехнической характеристикой топлива и определяет его энергетическую ценность [36,38]. Под теплотой сгорания понимают количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы твердого или жидкого топлива или единицы объема газообразного топлива. Рисунок 3.28 - Экспериментальная установка для определения теплотворной способности топлива
Определение теплоты сгорания проводили с использованием калориметра фирмы IKA WERKE модели С2000 basic Version 2 (рисунок 3.28) и калометрической бомбы С5012 (рисунок 3.29), предназначенной для сжигания твердого и жидкого топлив и устойчивой к действию галогенов. Для оптимизации процесса горения бомбу наполняли чистым кислородом (99,95 %). Давление в бомбе 3 Мпа. В калометрическую бомбу помещали приготовленный образец испытуемого топлива, воспламеняли и измеряли приращение температуры в калометрической системе. Удельную теплоту сгорания вычисляли по формуле. где т - масса образца топлива, кг; i - теплоёмкость калориметрической системы, Дж/К; At - приращение температуры воды во внутреннем сосуде измерительной камеры, К. Калориметр С 2000 не имеет собственной системы охлаждения, поэтому его подключали к термостату LOIP FT-216-25 , предназначенному для точного воспроизведения и поддержания температуры как в собственных ваннах, так и во внешних системах с замкнутым контуром в диапазоне температур от Тя до 100 С (Гн = - 25 С - нижний предел диапазона задаваемых температур для модели FT-216-25).
Удельную теплоту сгорания аналитической пробы топлива определяли для двух навесок. Расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 37 кДж/кг.
Вычисление результатов производили с точностью до 1 кДж/кг, окончательный результат округляли до 10 кДж/кг.
Методика определения зольности древесных опилок. В прокаленный и взвешенный фарфоровый тигель помещали навеску в 1г торрефицированной фракционной древесины, предварительно определив ее влажность. Взвешивание производили с точностью до 0,00001 г. Навеску древесины прокаливали в муфельной печи марки при температуре 800 С в течение 1 часа. После охлаждения в эксикаторе тигель с золой (рисунок 3.28) взвешивали.
В результате процесса торрефикации получен мелкодисперсный гидрофобный древесный материал с повышенным содержанием углерода. Для удобства использования в качестве топлива, повышения насыпной плотности, транспортабельности, энергоконцентрации измельченную торрефицирован-ную древесину необходимо спрессовать в гранулы или брикеты.
Технологический процесс производства качественных древесных гранул из дисперсного материала, каким является древесная шихта, характеризуется значительным количеством управляемых, неуправляемых и неконтролируемых факторов со сложными связями между собой. Недостаточное количество априорной информации о механизме процесса производства древесных гранул обуславливает необходимость планирования и проведения много факторного экспериментального исследования, основные методологические указания по проведению исследований достаточно хорошо представлены в научно-технической литературе [56,8].
Основным показателем процесса гранулирования древесины является давление прессования рп.
Основным показателем, характеризующим качество древесных гранул, является их уплотняемость. Уплотняемость древесной шихты - способность к уплотнению под воздействием определенного давления. В общем виде уплотняемость может быть описана зависимостью
Экспериментальный стенд для исследования процесса прессования торрефицированной древесины
Повышение энергетической эффективности древесного топлива из мягких отходов деревопереработки может быть обеспечено путем его науглероживания в высокотемпературной среде без доступа окислителя. Как отмечено в главе I, отечественное промышленное производство торрефицированного прессованного древесного топлива в настоящее время отсутствует. А в мировой практике известно не более десяти опытных производств с различными техническими решениями отдельных технологических участков [114, 117, 123, 136, 150, 160].
В нашей работе за основу технологии производства принято техническое решение процесса производства гранул в виде пеллет из чистой древесины, в которую дополнительно включен участок торрефикации древесины. При этом были решены вопросы о режимах торрефикации. Процессы прессования древесной шихты и шихты из торрефицированной древесины имеют существенные отличия. Для гранулирования торрефицированной древесной шихты требуется значительно большее усилие, чем для шихты из чистой древесины. В результате исследований процессов торрефикации и гранулирования фракционированной древесины предложены режимы процессов по технологическим участкам.
Принципиальная схема технологического решения получения торрефи-цированного древесного топлива приведено на рисунке 5.1. с указанием режимных параметров.
В этом решении мягкие древесные отходы в виде опилок складируются на накопительной площадке или в бункере (1), откуда без предварительной сортировки конвейером или автопогрузчиком загружаются в сушильную камеру (2) периодического или проходного типа. Для сушки мелкодисперсных и сыпучих материалов, каким является древесный опилок, наиболее эффективно использовать сушильные камеры со взвешенным кипящим слоем. В таких камерах значительно увеличивается поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, в результате уменьшается продолжительность сушки. При этом необходимо обеспечить равномерную циркуляцию агента сушки через материал. Агентом сушки является нагретый воздух или топочный газ, который проходит через материал, рециркулирует и удаляется вместе с влагой без рекуперации. Сушка проводится до влажности 8 н-10 %.
Также могут быть применены сушильные камеры барабанного или аэрофонтанного типа. Из сушильной камеры шнековым транспортером подсушенный материал подается в реактор (3), где при температуре 270 С в инертной среде происхо 121 дит эндетермическая реакция первичного разложения древесины. Процесс торрефикации древесины основан на принципах высокотемпературной тепловой сушки. В мировой практике известно несколько запатентованных методов получения древесного торрефиката. Основное их отличие - применяемое оборудование. На рисунке 5.2 представлены типы реакторов для торрефикации биомассы.
Следует выделить две принципиальные схемы нагрева биомассы: контактный и бесконтактный [45].
Для повышения эффективности процесса, выделяющееся при модификации древесины тепло, используется на нагрев агента сушильной камеры или реактора.
Полученный в результате термической обработки продукт, представляющий собой науглероженную древесную массу темного цвета, поступает в зону охлаждения (4) без доступа кислорода воздуха во избежание самовозгорания. Охлажденный материал подается в молотковую мельницу (5) для измельчения до технологической дисперсности. Измельчение производится до порошкообразного состояния с размером фракции 0,1 мм. Древесная торрефици-рованная мука пропускается через систему сортировочных сит (6) с отделением и возвратом крупных частиц на повторное измельчение.
Далее древесный торрефикат поступает в камеру кондиционирования (7) для размягчения лигнина, который выступает в качестве связующего вещества при термомеханическом гранулировании древесины, обеспечения механической прочности гранул. В камере осуществляется увлажнение до технологической влажности 20...30 % и нагрев до температуры 120... 180 С шихты. Некорректное кондиционирование может привести к снижению прочностных свойств готовых гранул. Кондиционированная торрефицированная масса подается в пресс-гранулятор (8). Готовые гранулы после охлаждения (9) фасуются в мягкие контейнеры или складируются в силосах (10). Отдельные вопросы технологии производства гранул из торрефицированной древесины требуют дальнейших исследований режимных факторов и конструкторской проработки.
Принципиальная схема производства торрефицированного высокоэнергетического топлива может быть рекомендована проектным организациям при разработке производственных комплексных технологических решений по производству биотоплива.