Введение к работе
Актуальность работы
Проблемами деревообработки на современном этапе его развития
являются низкая эффективность использования древесного сырья, высокие
энергозатраты при переработке вторичных биоресурсов, связанные с
отсутствием энергоэффективного оборудования и методик их расчета. В
настоящее время при известных способах переработки древесных отходов в
России перерабатывается только около пятидесяти процентов древесного
сырья, а в Сибирском федеральном округе - не более тридцати процентов.
Это приводит к большим потерям биоресурсов и низкой эффективности
лесоперерабатывающего комплекса (ЛПК). Существует большое количество
эффективных направлений переработки древесных отходов, одним из них
является пирогенетическая переработка древесных отходов в
активированный уголь различного назначения.
В связи с экологической напряженностью проблема получения и поиска новых адсорбентов является актуальной. Особый интерес представляют многотоннажные производства активированного угля из древесных отходов.
Работа выполнялась в рамках государственного задания «Инициативные научные проекты» по теме № 13.5443.2017/БЧ «Модификация физико-химических свойств древесной биомассы, влияющих на эксплуатационные характеристики создаваемых материалов».
Степень разработанности темы
Вопросам пирогенетической переработки древесных материалов
посвящены работы А.Н. Грачева, В.Н. Козлова, В.И. Корякина,
Е.А. Лебедева, Е.Ю. Беляева, И.А. Щекотова, Н.И. Никитина,
Н.И. Богдановича, Р.Г. Сафина, Ю.Л. Юрьева, С. Briens, F. Berruti, R.Graham,
M.Gronli, M.J. Antal. Вопросами изучения механизмов термического
разложения древесного материала занимались такие ученые, как
А.Н. Кислицин, C.A. Koufopanos, A.Broido, F. Thurner, F Liden, и др. Физическим и математическим моделированием процессов пиролиза древесины занимались также C.H. Bamford, C.Di Blasi, P.S. Maa, H.C. Kung, J. Lede, E.G.Kansa.
Но, несмотря на имеющийся значительный опыт и задел исследований в области пирогенетической технологии, в связи с высокой сложностью процессов, при современном уровне развития теории отсутствуют единые методы расчетов процессов и аппаратов непрерывной пирогенетической технологии переработки древесных отходов в активированный уголь.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании совокупности процессов и разработке метода расчета непрерывно - действующей установки пирогенетической переработки древесины и отходов лесного комплекса в активированный уголь.
В связи с этим в представленной работе были поставлены задачи:
1. Проведение теоретического анализа физико-химических процессов,
протекающих при термохимическом воздействии на древесину, с
определением ключевых технологических направлений пирогенетической
переработки.
2. Разработка математической модели технологических процессов,
протекающих при пирогенетической переработке древесных отходов в
активированный уголь.
3. Разработка блок-схемы алгоритма расчета процессов термического
разложения древесины в активированный уголь.
4. Разработка экспериментального оборудования и методик проведения
экспериментов и обработки данных при исследовании процессов
пирогенетической переработки древесных отходов в активированный уголь.
5. Идентификация экспериментальным путем основных неизвестных
характеристик и констант, необходимых для моделирования и
количественной оценки процессов, протекающих при пирогенетической
переработке древесных отходов в активированный уголь.
6. Математическое моделирование и экспериментальные исследования
процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесных
отходов в активированный уголь с определением основных зависимостей.
7. Разработка методики расчета основных конструктивных характеристик
оборудования и рациональных режимных параметров для реализации
производственных процессов.
Научная новизна
Работа содержит научно – обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную организацию процесса получения активированного угля из древесных отходов.
-
Разработана математическая модель последовательно протекающих процессов прогрева, сушки, пиролиза древесины, активации, охлаждения древесного угля, сопровождаемых физико-химическими превращениями, позволяющая рассчитать общее время переработки древесных отходов и основные конструктивные параметры установки.
-
Разработаны экспериментальные стенды для физического моделирования процессов термообработки и методики проведения экспериментальных исследований и обработки полученных данных, которые позволяют определить кинетические закономерности и недостающие параметры, необходимые для моделирования процессов пиролиза древесины в активированный уголь.
-
Моделированием процессов разложения древесины определены режимные параметры процессов термической переработки древесных отходов в активированный уголь.
4. Разработан энергетически эффективный способ термического
разложения древесных отходов в активированный уголь, защищенный патентом Российской Федерации.
Практическая ценность
На основании анализа результатов исследований процесса термической
деструкции древесины разработаны экспериментальные стенды и методики
исследований для оценки правильности принятых допущений и установления
адекватности разработанного математического описания изучаемого
процесса и получения эмпирических данных для проведения расчетных работ
при проектировании установок производства активированного древесного
угля. Определены рациональные режимы движения теплоносителя при
тепловой обработке древесных материалов. Разработано аппаратурное
оформление процесса пирогенетической переработки древесины в
активированный уголь. Результаты диссертационного исследования
внедрены в учебный процесс для подготовки магистров по направлениям 15.04.02 «Технологические машины и оборудование», 35.04.02 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств».
Результаты исследований, приняты к внедрению на ЗАО «Ласкрафт».
Объекты и методы исследования
В качестве объектов исследования применялись образцы древесных
отходов (крупная, мелкая щепа, опилки). Результаты исследований процессов
переработки древесных отходов в активированный уголь, в том числе
процессы прогрева, сушки, пиролиза и активации, сопровождаемые физико-
химическими превращениями, получены с использованием разработанных
методик кондуктивного и конвективного тепломассопереноса,
термохимического разложения древесины. Теоретическую базу исследований составили работы ученых по вопросам сушки, термической переработки древесных отходов в активированный уголь, а также нормативные документы.
Достоверность научных результатов базируется на использовании научно-обоснованных методик проведения экспериментальных исследований и теории обработки информации. Результаты испытаний и рекомендации, подтверждаются большим объемом экспериментальных данных, полученных на современных и проверенных установках, имеющих сертификат качества. Научные результаты согласуются с известными экспериментальными данными, а также результатами промышленной апробации.
Личный вклад автора
Вклад автора заключается в разработке основных идей пирогенетической переработки древесных отходов в активированный уголь и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера, разработке математической модели, создании экспериментального стенда, проведении
математического моделирования и анализе полученных результатов.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Тема диссертационного исследования соответствует п.2 « Разработка
теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с
целью получения высококачественной и экологически чистой продукции»
паспорта специальности 05.21.05 – «Древесиноведение, технология и
оборудование деревопереработки» (1 и 2 пункты научной новизны) и п.11
«Химия и технология пирогенетических производств» паспорта
специальности 05.21.03 «Технология и оборудование химической
переработки биомассы дерева; химия древесины» (3 и 4 пункты научной новизны).
На защиту выносятся
-
Математическая модель процесса переработки древесины в активированный уголь.
-
Конструкции разработанных экспериментальных стендов, методика проведения экспериментальных исследований по определению кинетических параметров процесса получения активированного угля.
3. Результаты математического и физического моделирования.
4. Способ и аппаратурное оформление пирогенетической переработки
древесных отходов в активированный уголь.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертации докладывались на международных конференциях: «Актуальные направления научных исследований XXI века; теория и практика» (Воронеж 2014), «Первые Международные Лыковские научные чтения» (Москва 2015), «Актуальные направления научных исследований XXI века; теория и практика» (Воронеж 2015), научные сессии ФГБОУ ВО «КНИТУ» (Казань,2015-2017).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 статей в журнале, рекомендованном ВАК, 1 патент на изобретение РФ № 2582696.
Объем и структура диссертационной работы