Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние техники и теории термического разложения древесины 10
1.1. Современное состояние техники пирогенетического разложения древесины 10
1.1.1. Анализ способов пирогенетического разложения древесины 10
1.2. Современные представления о теоретических основах процесса пирогенетической переработки 23
1.2.1. Влияние различных факторов на процесс пиролиза 25
1.2.2. Математические модели для расчёта процесса пиролиза 30
1.2.3. Теплофизические характеристики древесины и древесного угля 32
Выводы 34
Постановка задачи исследования 35
Глава II. Разработка математической модели процесса пиролиза древесины 36
2.1 .Физическая картина процесса пиролиза древесины 36
2.2. Формализация процесса 39
2.3. Методика расчёта установки для пиролиза древесины
2.3.1. Математическое описание стадии прогрева пиролизуемого сырья 41
2.3.2. Математическое описание сушки пиролизуемого сырья 45
2.3.3. Математическое описание стадии термического разложения и конденсации продуктов 46
2.3.4. Математическое описание процесса охлаждения древесного угля 52
2.5. Алгоритм расчета процесса пиролиза древесины
Выводы 58
Глава III. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процесса пиролиза древесины 59
3.1. Описание экспериментальной установки для исследования процесса пиролиза древесины 60
3.2. Методика проведения экспериментов и обработка экспериментальных данных 63
3.3. Анализ результатов математического моделирования и эксперементальных данных 66 Выводы 80
Глава IV. Промышленная реализация результатов исследования процесса пиролиза древесных отходов 81
4.1. Анализ гранулометрического состава отходов деревообрабатывающих предприятий и лесозаготовок 82
4.2. Разработка промышленного оборудования для пиролиза древесины
4.2.1. Передвижная установка для пиролиза древесных отходов 85
4.2.2. Промышленная установка для пиролиза древесины 89
4.2.3. Сравнительный анализ ожидаемых показателей технико -экономической эффективности установки для переработки древесных отходов 94
4.3. Реализация результатов исследований в учебном процессе 95
Выводы 98
Заключение 99
Основные обозначения 101
Литература 104
- Современные представления о теоретических основах процесса пирогенетической переработки
- Математическое описание стадии термического разложения и конденсации продуктов
- Методика проведения экспериментов и обработка экспериментальных данных
- Передвижная установка для пиролиза древесных отходов
Современные представления о теоретических основах процесса пирогенетической переработки
Под термическим разложением древесины подразумевается химический распад древесного комплекса, вызываемый исключительно повышением его температуры и происходящим в среде, практически лишенной кислорода. Этот процесс зависит от температуры, времени пребывания парогазов в реакционной зоне и давления в камере. В литературе [56-58] изучены последовательные стадии пиролиза древесины в условиях атмосферного давления. Процесс пиролиза древесины можно разделить на несколько стадий: прогрев материала, сушку, термическое разложение, пиролиз, прокалку и охлаждение древесного угля.
Стадия сушки древесины заканчивается, примерно, при 150 С. На этой стадии из древесины удаляется содержащаяся в ней свободная влага, химический состав древесины практически не меняется и летучих продуктов почти не образуется.
Начальная стадия распада древесины протекает при температуре от 150 С до 210-230 С. В этот период начинается разложение менее термостойких компонентов древесины с выделением реакционной воды, углекислоты, и некоторых других продуктов, изменяется химический и элементарный состав древесины. Заметные изменения в древесине происходят уже с 180 С. Температура 200 С определяет начало бурного термического разложения и проявляется протеканием экзотермической реакции при 260-275 С. Молекулы сырья приобретают подвижность и при данной температуре - способность к разрыву с отщеплением углеродсодержащих групп и образованием новых веществ с меньшим молекулярным весом. Стадии сушки и начального разложения древесины эндотермичны и идут при подводе тепла.
Стадия пиролиза - бурного распада древесины с выделением тепла (экзотермический процесс) и образованием основной массы продуктов разложения начинается при 260- 275 С и заканчивается примерно при 400 С. Данная стадия характеризуется повышенным выделением веществ и сопровождается уменьшением скорости выделения летучих. Фактически интервал 320-380 С следует выделить в отдельный период, где происходит процесс образования промежуточных высокомолекулярных соединений угольного остатка и их одновременное разложение с образованием летучих.
Стадия прокалки угля, не считая охлаждения угля, заканчивается в зависимости от типа аппарата и способа пиролиза при температуре 380-500 С. При этом выделяется небольшой объем жидких продуктов и значительный - газов. При прокалке осуществляется образование структуры угля, сопровождаемое увеличением выхода неконденсирующихся газов и объясняется перестройкой первично-образовавшихся макромолекул угля с возрастанием доли наиболее термически прочных связей между атомами углерода в нелетучем остатке. Стадия прокалки осуществляется за счёт подвода теплоты.
На процесс пиролиза влияют множество различных факторов: размер частиц, плотность древесины, скорость нагрева, температура, давление среды, влажность исходного сырья, конечная температура карбонизации, продолжительность пребывания парогазов в реакционной зоне и д.р.
Влияние различных факторов на кинетику высокотемпературного пиролиза целлюлозосодержащих материалов рассмотрено в работе Маа и Бейли [154]. Установлено, что размер частицы оказывает решающее влияние на скорость протекания процесса. В зависимости от размера частицы, процесс лимитируется химической реакцией ( 0,1 см) или подводом тепла ( 3см). Установлено также, что температура греющей стенки оказывает наибольшее влияние для частиц любого размера, но большее для мелких частиц.
Кинетика пиролиза сосновой древесины в виде плиток толщиной 5-13 мм при температуре до 900 С в атмосфере воздуха, азота и углекислого газа изучена в работах [118,119]. Установлено, что скорость пиролиза зависит от размеров образца древесины и температуры обработки. Пиролиз при 500-900 С не зависит от скорости движения газа, а лимитируется тепломассопереносом в древесине.
В основном, скорость разложения зависит от размеров частиц древесины и скорости нагрева. Чем выше скорость нагрева, тем интенсивней протекает процесс, а скорость распада мало зависит от толщины образца [109]. Скорость процесса пиролиза древесины очень чувствительна к каталитическим и автокаталитическим эффектам, следовательно, химический состав материала также влияет на процесс. Физическая структура древесины, а именно плотность, также влияет на скорость термического разложения. Чем выше плотность, тем более ограничивается свободное движение продуктов распада во внутрипоровом пространстве. Влияние этого фактора снижается после того, как произойдут макроскопические изменения.
На диаграмме, изображенной на рис. 1.9, показано влияние конечной температуры разложения древесины в пределах от 300 до 1000 С на состав и свойства получаемого древесного угля [63]. Верхняя кривая показывает зависимость между конечной температурой выжига и содержанием углерода в конечном продукте. При повышении конечной температуры выжига от 300 до 600 С содержание углерода в конечном продукте резко возрастает, при дальнейшем увеличении температуры содержание углерода возрастает уже сравнительно медленно.
Математическое описание стадии термического разложения и конденсации продуктов
Реальная физическая картина процесса пиролиза древесины, как показывает анализ, довольно сложна. Поэтому для получения конструктивного математического описания процесса в реальной ситуации неизбежны упрощения описания системы или её частей, обеспечивающие простоту и удобство её использования при сохранении необходимой степени адекватности. Целесообразно использовать следующую последовательность формализации процесса: 1) формализация процесса в целом за счёт деления его на независимые стадии; 2) формализация механизма реакций термического разложения; 3) формализация свойств древесины как объекта пиролиза; 4) формализация свойств парогазовой смеси; 5) формализация процесса тепломассопереноса внутри пиролизуемого материала. При формализации процесса в целом введём следующее допущение: продолжительность процесса пирогенетического разложения принимаем в виде совокупности процессов прогрева, сушки, термического разложения и охлаждения древесного угля;
На стадии формализации механизма реакции термического разложения введём следующее допущение: поскольку процесс термического разложения представляет собой сложный комплекс физико-химических явлений и лимитирующим процессом является первичный распад древесины [96], принимаем механизм реакций термического разложения в виде итоговой реакции первого порядка: 1 древесина— — (l-v0)yrojib + v0 парогазовая смесь + С ф. На стадии формализации свойств древесины введём следующие допущения: 1) пренебрегая адсорбцией парогазовой смеси в процессе термического разложения для системы древесина - уголь, принимаем линейный закон изменения теплофизических величин в зависимости от доли прореагировавшей древесины; 2) начальную температуру и влажность древесины принимаем равномерной по всему объему материала. На стадии формализации свойств парогазовой смеси допускаем: 1) в каждый момент времени состав паров одинаков по всему объему аппарата, в парогазовой фазе отсутствуют градиенты температур и парциальных давлений, то есть принимаем модель идеального смешения; 2) так как зона готового продукта обладает высокой газопроницаемостью, считаем, что парогазовая смесь состоит из смеси нескольких основных химических компонентов; 3) поскольку давление внутри камеры незначительно, считаем, что образующаяся парогазовая смесь подчиняется закону идеального газа [63]; 4) поскольку доля теплоты смешения компонентов не превышает 3% от скрытой теплоты парообразования смеси [63], считаем возможным пренебречь наличием теплоты смешения компонентов.
На стадии формализации процесса тепломассопереноса внутри пиролизуемого материала введем следующие допущения: 1)так как потенциал переноса тепла и массы по длине и ширине значительно меньше потенциала переноса по толщине образца, рассмотрим одномерную симметричную задачу; 2) вследствие незначительного градиента температуры в зоне готового продукта считаем, что образующаяся в зоне термического разложения парогазовая смесь не вступает во взаимодействие с зоной готового продукта.
Процесс пиролиза древесины включает в себя этапы, сопровождаемые физико-химическими превращениями различной природы, каждый из которых может быть описан индивидуальными методиками. Поэтому расчётную схему процесса получения древесного угля можно представить в виде отдельных блоков, включающих: математическую модель процесса прогрева древесных отходов; математическую модель сушки пиролизуемого сырья; математическое описание стадии термического разложения и конденсации продуктов; математическое описание процесса охлаждения древесного угля.
Такой подход значительно упрощает объём вычислений и позволяет с достаточной степенью адекватности судить о процессе в целом. При этом, продолжительность процесса пиролиза хм древесного сырья, согласно принятым допущениям, представим в виде совокупности процессов прогрева тп, сушки тс, термического разложения т и охлаждения древесного угля тохл. Тогда выражение для определения тм можно записать в следующем виде:
Методика проведения экспериментов и обработка экспериментальных данных
Система откачки и конденсации парогазовой смеси состоит из последовательно соединенных кожухотрубчатого конденсатора 27 со встроенным сборником конденсата 33, счётчика 34, водокольцевого насоса 29 и накопительного резервуара 28. Регистрация количества выделившихся неконденсирующихся газов осуществляется газовыСистема откачки и конденсации парогазовой смеси состоит из последовательно соединенных кожухотрубчатого конденсатора 27 со встроенным сборником конденсата 33, счётчика 34, водокольцевого насоса 29 и накопительного резервуара 28. Регистрация количества выделившихся неконденсирующихся газов осуществляется газовым счётчиком 34. Производительность водокольцевого насоса регулируется с помощью вентиля 38. Система охлаждения состоит из газодувки 41, конденсатора 27 и вентиля 38. Вся информация о ходе процесса собирается в блок определения кинетических параметров процесса пиролиза, состоящего из компьютера 35, аналогово -цифрового преобразователя (АЦП) 32, терморегулятора мощности 36, нагревательного элемента 7, термопар 15, 16 и тензодатчика 3. Блок определения кинетических параметров позволяет осуществлять с помощью термопар регистрацию температуры процесса пиролиза с частотой до 100 раз в секунду. Причем полученные данные сохраняются в базе данных компьютера с заданным интервалом времени. Связь температурных датчиков с компьютером дает возможность регистрировать значения температуры с высокой частотой при подключении большого количества температурных датчиков. Регулятор мощности позволяет управлять электронагревателем 7 в соответствии с программой нагрева и обеспечить заданный темп нагревания образцов древесины в зоне пиролиза. Регистрируемые датчиками параметры сохраняются в базе данных и обрабатываются в режиме реального времени. В результате обработки данных с тензодатчика определяется изменение массы пиролизуемого образца, характер и продолжительность стадий процесса.
Режимное давление в камере пиролиза фиксируется манометром 37 и устанавливается в случае требуемого остаточного давления при помощи водокольцевого насоса, производительность которого регулируется положением вентиля 38 в пределах 0,1-1 кПа. В случае повышения давления оно устанавливается с помощью баллона со сжатым инертным газом 39, производительность которого регулируется с помощью крана 40. Управление системой вакуумирования, а также электроснабжение основного оборудования осуществляется с электрораспределительного щита 42.
Исследование кинетики процесса пиролиза древесных образцов в зависимости от различных условий проведения процесса осуществлялось следующим образом. Образец определенной геометрической формы и влажности, предварительно взвешенный и замеренный, помещался в камеру пиролиза и закреплялся на шток 8 тензометрического датчика 3. Эксперимент осуществлялся при включённых модуле сбора и регистрации данных, водокольцевого насоса 29 и систем охлаждении 24, 25. Температура среды регистрировалась с помощью термопары 15, соединенной с модулем сбора и регистрации данных, температура в образце замерялась с помощью термопары 16, а полученные значения обрабатывались модулем сбора и регистрации данных на компьютере. Давление в камере фиксировалось с помощью манометра 37. Температура в камере во время эксперимента поддерживалась программно на заданном уровне, что обеспечивало заданный темп нагревания образцов древесины в зоне пиролиза. В процессе пиролиза фиксировались значения температуры по сечению образца, температуры среды и изменение массы образца по времени. Запись параметров производилась на компьютер. Для управления модулем сбора и регистрации данных было разработано специальное программное обеспечение. Интерфейс программы для обработки экспериментальных данных представлен на рис. 3.3. На основе программного
V E-270-usb «Кафедра ПДМ =
Система откачки и конденсации парогазовой смеси состоит из последовательно соединенных кожухотрубчатого конденсатора 27 со встроенным сборником конденсата 33, счётчика 34, водокольцевого насоса 29 и накопительного резервуара 28. Регистрация количества выделившихся неконденсирующихся газов осуществляется газовым счётчиком 34. Производительность водокольцевого насоса регулируется с помощью вентиля 38. Система охлаждения состоит из газодувки 41, конденсатора 27 и вентиля 38. Вся информация о ходе процесса собирается в блок определения кинетических параметров процесса пиролиза, состоящего из компьютера 35, аналогово -цифрового преобразователя (АЦП) 32, терморегулятора мощности 36, нагревательного элемента 7, термопар 15, 16 и тензодатчика 3. Блок определения кинетических параметров позволяет осуществлять с помощью термопар регистрацию температуры процесса пиролиза с частотой до 100 раз в секунду. Причем полученные данные сохраняются в базе данных компьютера с заданным интервалом времени. Связь температурных датчиков с компьютером дает возможность регистрировать значения температуры с высокой частотой при подключении большого количества температурных датчиков. Регулятор мощности позволяет управлять электронагревателем 7 в соответствии с программой нагрева и обеспечить заданный темп нагревания образцов древесины в зоне пиролиза. Регистрируемые датчиками параметры сохраняются в базе данных и обрабатываются в режиме реального времени. В результате обработки данных с тензодатчика определяется изменение массы пиролизуемого образца, характер и продолжительность стадий процесса.
Режимное давление в камере пиролиза фиксируется манометром 37 и устанавливается в случае требуемого остаточного давления при помощи водокольцевого насоса, производительность которого регулируется положением вентиля 38 в пределах 0,1-1 кПа. В случае повышения давления оно устанавливается с помощью баллона со сжатым инертным газом 39, производительность которого регулируется с помощью крана 40. Управление системой вакуумирования, а также электроснабжение основного оборудования осуществляется с электрораспределительного щита 42.
Исследование кинетики процесса пиролиза древесных образцов в зависимости от различных условий проведения процесса осуществлялось следующим образом. Образец определенной геометрической формы и влажности, предварительно взвешенный и замеренный, помещался в камеру пиролиза и закреплялся на шток 8 тензометрического датчика 3. Эксперимент осуществлялся при включённых модуле сбора и регистрации данных, водокольцевого насоса 29 и систем охлаждении 24, 25. Температура среды регистрировалась с помощью термопары 15, соединенной с модулем сбора и регистрации данных, температура в образце замерялась с помощью термопары 16, а полученные значения обрабатывались модулем сбора и регистрации данных на компьютере. Давление в камере фиксировалось с помощью манометра 37. Температура в камере во время эксперимента поддерживалась программно на заданном уровне, что обеспечивало заданный темп нагревания образцов древесины в зоне пиролиза. В процессе пиролиза фиксировались значения температуры по сечению образца, температуры среды и изменение массы образца по времени. Запись параметров производилась на компьютер. Для управления модулем сбора и регистрации данных было разработано специальное программное обеспечение. Интерфейс программы для обработки экспериментальных данных представлен на рис. 3.3. На основе программного
Передвижная установка для пиролиза древесных отходов
Камера пиролиза 1 имеет ряд технологических отверстий для установки термопар 43, 44 и металлического щупа 45 для контроля готовности угля. В нерабочем состоянии отверстия закрывают резьбовыми пробками.
Камера сушки 4 представляет собой конструкцию, аналогичную камере пиролиза 1, дополнительно снабженную калориферами 42, воздуходувкой 46 и люком для осушения воздуха 47.
Процесс получения древесного угля в рассматриваемой промышленной установке для пиролиза древесины осуществляется следующим образом. Контейнер 6 с предварительно подсушенной древесиной загружают в камеру пиролиза 1 и закрывают крышкой 12. Другой контейнер с сырой древесиной помещают в камеру сушки 4.
Неликвидные отходы деревообработки, загруженные в бункер 19 ленточным конвейером 20, шнековым питателем 17 подаются в необходимом количестве в газогенератор 15. Включается воздуходувка 27, открывается задвижка 26 нагнетательного трубопровода 25. После поджёга сырья в газогенераторе через дверцу 48 начинается процесс газофикации. Генераторньщ газ, вырабатываемый газогенератором, по трубопроводу 21 поступает в камеру сгорания 16. Через топочную дверцу камеры сгорания 49 осуществляется поджег основной горелки 22 и открывается задвижка 29 нагнетательного трубопровода 28, подающего воздух в камеру сгорания 16. После розжига камеры сгорания включается воздуходувка 33, открывается шиберная задвижка 11 и заслонка 35, закрываются заслонки 39 и 37.
Топочные газы проходят через газоход 8 и перфорированные коллекторы 7, распределяются по всей площади камеры пиролиза 1, равномерно обогревая пиролизное сырьё, и охлаждаясь, выбрасываются в атмосферу. Начальная стадия процесса переугливания идёт с поглощением тепла выделяемого печью. После того как древесина разогреется до температуры 120-150 С происходит потеря связанной влаги и начинается процесс разложения менее стойких органических веществ с образованием углекислого газа, окиси углерода и уксусной кислоты. Дальнейшее нагревание древесины до температуры 150-275С вызовет процесс переугливания. С началом процесса переугливания прикрывается задвижка 35 и открывается задвижка 37. Неконденсирующиеся газы подаются по трубопроводу 36 на дожег в камеру сгорания. Закрытие задвижки 26 приводит к уменьшению выработки генераторного газа и ход процесса при этом поддерживается за счёт дожига неконденсирующихся газов.
Ход процесса переугливания контролируется по температуре в верхней и нижней частях камеры пиролиза, измеряемой термопарами 43, 44. Температура может регулироваться открытием или закрытием заслонок 26 и 29 нагнетающих трубопроводов 25 и 28. При температуре 275-450С происходит бурное выделение тепла и образование основного количества продуктов разложения. Прокаливание угля и удаление летучих веществ происходит при температуре 450-550С.
Готовность угля определяется прощупыванием продуктов переугливания в камере металлическим щупом 45 через отверстия в нижней части корпуса камеры пиролиза и в контейнере по величине сопротивления прокалыванию.
В течении всех стадий процесса переугливания древесины, смесь паров конденсируется в кожухотрубчатом теплообменнике 3 и собирается в сборник 31. Теплоноситель из рубашки теплообменника 3 при помощи насоса 50 подается в калориферы 42 сушильной камеры или отводится потребителю.
По окончании процесса пиролиза закрывается шибер 11 и задвижка 37, открывается задвижка 39, начинается процесс охлаждения древесного угля. Пирогазы, проходя через кожухотрубчатый теплообменник 3, охлаждаются и подаются по трубопроводу 38 в газоход топки 8, где рассеиваясь через перфорированные коллектора 7, поднимаются вверх и, проходя через слой готового угля, интенсивно охлаждают его до 50 С0.
По окончании процесса охлаждения извлекаются термопары. Затем тельфером открывается крышка 12 и осуществляется выгрузка угля из контейнера и установка в камеру пиролиза контейнера с подсушенным сырьём, а в камеру сушки - контейнера с подготовленным для сушки сырьём.
Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет повысить эксплуатационные характеристики установки и качество древесного угля, подвергаемого переугливанию в установке, за счет обеспечения стабильных условий процесса во всех частях камеры и сокращения продолжительности технологического процесса в целом.
