Введение к работе
Актуальность темы
Проблемы утилизации древесных отходов, образование значительного
объема которых в лесозаготовительной и деревообрабатывающей отраслях
обуславливается нерациональным использованием древесного сырья на
предприятиях соответствующего профиля, является весьма актуальной.
Традиционные технологии химической переработки древесины, а в частности и древесных отходов, являются устаревшими и характеризуются высоким износом технологического оборудования, имеют относительно низкую производительность по сравнению с зарубежными конкурентами, что в совокупности отрицательно влияет на устойчивое позиционирование отечественных технологий на мировом рынке лесохимической промышленности.
Древесина, обладая уникальными теплофизическими свойствами, а также строением и компонентным составом, является органическим сырьем, при температурном воздействии на которое без применения химических реагентов возможно получить как ценнейшие химические продукты, так и полуфабрикаты -чистые компоненты древесины. Такой грамотный подход к использованию данного сырья является весьма эффективным и экологически привлекательным, на основе чего возможно разрабатывать новые технологии и оборудование для переработки древесины.
Одним из путей практического применения данного подхода является организация экологически чистого процесса высокотемпературной паровзрывной обработки, позволяющего помимо утилизации древесных отходов получить доступное энергосырье - техническую целлюлозу, сахара и лигнин практически в чистом виде, пригодном для дальнейшей переработки в ценные продукты, такие как техническая и порошковая целлюлоза, органическое топливо, сельскохозяйственные корма, волокнистые полуфабрикаты. Процесс паровзрывной обработки может применяться как стадия активации древесного сырья перед процессами химической переработки.
Процесс паровзрывной обработки включает стадии подготовки материала, гидротермическую обработку насыщенным водяным паром, вьщержку под высоким давлением, измельчение путем резкого сброса давления и последующую обработку волокнистого материала.
Следует отметить, что не имеется ясной физико-химической картины явлений, происходящих при данном процессе и отсутствуют работы по математическому моделированию данного многостадийного процесса. Очевидно, эти обстоятельства являются причиной весьма малого количества информации по промышленному применению данного процесса.
Работа выполнялась в рамках НИОКР по государственному контракту с ФСР МФП НТС № 8361р/10244 по теме «Разработка, создание и освоение новых
технологий в различных отраслях народного хозяйства», а также в рамках реализации Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 гг.» в ходе выполнения 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
Исследованиями в области химии паровзрывной обработки занимались российские ученые Кузнецов Б.Н., Кузнецова С.А., Левданский В.А.. Исследованиями изменений морфологической структуры обрабатываемого сырья, модификации поверхности волокна при воздействии водяного пара и «взрывной» обработки занимались латвийские ученые Гравитис Я., Тээйяр Р., Каллавус У., Андерсоне Б., Кокоревич А., Эринын П., Веверис Д., исследованиями в области гидротермической обработки древесины занимались Лыков А.В., Непенин Ю.Н., Гурьянов А.И., Сергеев В.В.
В работах ученых США и Канады, таких как Кокта Б., Ахмед А., Мэсон У., а также Сасоки И. (Китай), Арвидсон М. (Швеция) этот метод предлагался как альтернатива получения химико-механической массы и химико-термомеханической массы, а также рассматривалась возможность получения целлюлозного волокна для получения бумаги и картона. Испанские ученые Гарроте Г., Набарлац Д.А. исследовали данный процесс как путь получения органического жидкого топлива.
Цель работы
Состоит в совершенствовании существующих способов паровзрывной обработки древесных отходов, разработке методов расчета и аппаратурном оформлении данного процесса.
В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи исследования:
-
Идентифицирование физической картины процессов, протекающих на всех стадиях паровзрывной обработки древесины.
-
Разработка экспериментального стенда для исследования процесса паровзрывной обработки древесины и проверка адекватности математической модели процесса паровзрывной обработки древесных отходов.
-
Разработка инженерной методики расчета технологического оборудования для проведения процесса.
-
Разработка аппаратурного оформления предлагаемого способа переработки древесных отходов.
-
Экономическая и рыночная оценка предлагаемого способа.
-
Промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна
Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную организацию процесса переработки древесных отходов методом паровзрывной обработки:
разработана математическая модель процесса паровзрывной обработки высоковлажных измельченных древесных отходов;
по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены рациональные режимные параметры процесса для трех направлений использования данного метода: предварительной обработки древесного сырья перед крафт-процессом и гидролизом, получения высокодисперсного волокнистого полуфабриката; получения технической целлюлозы.
установлены зависимости коэффициента массопроводности древесины при пропитке от температуры и кислотности среды;
выявлены закономерности изменения теплопроводности и теплоемкости древесины в высоковлажном состоянии при температурах, больших 100 С;
установлены эмпирические зависимости предела прочности при растяжении поперек волокон высоковлажной древесины основополагающих пород при повышенных температурах;
выявлены зависимости фракционного состава и образующейся удельной поверхности от температуры, давления и времени декомпрессии для лигноцеллюлозного материала, получаемого при паровзрывной обработке;
разработан новый способ переработки древесных отходов паровзрывным методом;
Практическая ценность
Разработанная математическая модель может быть использована при технологических расчетах процесса переработки древесных отходов паровзрывным методом.
Разработана установка для переработки измельченных древесных отходов паровзрывным методом в целлюлозный волокнистый полуфабрикат; новизна подтверждена патентами на изобретение.
На базе полученных аналитических решений разработана инженерная методика расчета процесса паровзрывной обработки древесных отходов, позволяющая выработать рекомендации по выбору рациональных режимных параметров для интенсификации и снижения себестоимости процесса, а также выявить конструктивные особенности аппаратурного оформления при внедрении процесса в комплексы более высокого порядка.
Разработаны и внедрены в производство новые конструкции оборудования и технологические рекомендации, направленные на получение целевых продуктов с улучшенными качествами.
Реализация работы
Результаты проведенных в работе исследований реализованы при разработке способа переработки древесных отходов, а также при проектировании опытно-промышленного образца установки для переработки древесных отходов, внедренной на ООО «Органика».
На ООО «Научно-технический центр «Альтернативная энергетика» внедрена инженерная методика расчета технологического оборудования для паровзрывной обработки древесных отходов.
Созданные экспериментальные установки для исследования кинетики процесса обработки древесины паровзрывным методом внедрены в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».
Личный вклад автора
Автором была поставлена задача исследования, разработана математическая модель процесса паровзрывной обработки древесных отходов, разработаны экспериментальные установки, проведены экспериментальные исследования и математическое моделирование. Автором был разработан способ переработки древесных отходов паровзрывным методом, разработана инженерная методика расчета технологического оборудования, смонтирована пилотная установка для переработки древесных отходов (Пат. №2464367).
Автор защищает:
-
Способ переработки древесных отходов методом высокотемпературной паровзрывной обработки.
-
Математическую модель процесса паровзрывной обработки древесных отходов.
-
Конструкцию экспериментальных стендов.
-
Результаты экспериментальных исследований и их сравнения с расчетами по математической модели процесса паровзрывной обработки предложенным способом.
-
Технические решения на уровне изобретений установки для переработки древесных отходов методом высокотемпературной паровзрывной обработки.
-
Методику расчета технологического оборудования, схему и конструкцию опытно-промышленной установки.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на международных конференциях «Леса России в 21 веке» (Санкт-Петербург, 2010), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23» (Саратов, 2010), «Наукоемкие химические технологии-2012» (Москва, 2012), «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011), «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, 2012), а также на научных сессиях КГТУ-КНИТУ (Казань, 20010-2013).
Разработанная технология стала победителем следующих конкурсов: «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в Программе инновационных проектов «Идея-1000» (Казань, 2009), соискание именной стипендии мэра г. Казани (Казань, 2011), соискание специальной государственной стипендии Республики Татарстан (Казань, 2013).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК, 4 патента на изобретение РФ №2413044, №2425917, 2437972, 2464367.
Объем и структура работы
