Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Сырьевые ресурсы для производства древесного угля 10
1.2. Оборудование для производства древесного угля 14
1.3. Анализ способов пропитки древесного угля 22
1.4. Древесноугольные сорбенты 33
1.5. Выводы, цель и задачи исследований 39
2. Теоретическая часть 41
2.1. Методика статистического анализа закономерностей изменения физико-механических характеристик уплотнённой древесины 41
2.1.1. Общие положения 41
2.1.2. Задачи статистического анализа 42
2.2. Анализ зависимости характеристик уплотнённой древесины от плотности 44
2.2.1. Зависимости прочности и жёсткости 44
2.2.2. Зависимости износа и твёрдости от удельного веса и степени уплотнения древесины 47
2.2.3. Оценка полученных результатов 49
2.3. Математическая модель процесса пропитки капиллярно-пористых структур водными растворами пероксида 57
2.3.1. Общие положения 57
2.3.2. Построение математической модели 58
2.3.3. Математическая модель пропитки КПС встречно-центробежным способом 58
2.3.4. Методика определения коэффициента фильтрации 64
2.4. Выводы по главе 66
3. Аппаратура и методика экспериментальных исследований 69
3.1. Общие положения 69
3.2. Основное оборудование и приборы 70
3.3. Методика планирования и проведения экспериментальных исследований процесса пропитки 70
3.4. Методика обработки экспериментальных исследований по пропитке образцов 76
3.5. Методика определения сорбционных свойств древесного угля из уплотнённой древесины осины 79
4. Результаты экспериментальных исследований 80
4.1. Экспериментальное исследование процесса пропитки древесного угля. 80
4.2. Экспериментальное исследование процесса сорбции ионов свинца из водной среды 94
4.3. Экспериментальные исследования процесса сорбции бензола из водной среды 101
4.4. Выводы 106
5. Экономическая эффективность применения прессованной древесины 108
5.1. Изготовление и использование прессованной древесины 108
5.2. Методика определения экономической эффективности применения прессованной древесины в машиностроении 109
5.3. Экономическая эффективность производства древесного угля из прессованной древесины 113
5.4. Пути повышения экономической эффективности применения прессованной древесины 115
6. Общие выводы и рекомендации 117
Литература 119
Приложения 1
- Оборудование для производства древесного угля
- Анализ зависимости характеристик уплотнённой древесины от плотности
- Методика планирования и проведения экспериментальных исследований процесса пропитки
- Экспериментальные исследования процесса сорбции бензола из водной среды
Оборудование для производства древесного угля
Одним из первых отечественных аппаратов для пиролиза древесины является печь системы профессора В.Е. Грум-Гржимайло. Эта печь относится к типу пе 17 чей с внутренним обогревом дымовыми газами в камере сушки и системой калориферов в камере жжения. Печь представляет собой кирпичный канал длиной 137,5 м, разделённый вертикальными подъёмными шиберами на три камеры: камеру сушки, камеру жжения и камеру тушения угля. Дрова загружают в вагонетки, передвигающиеся по ширококолейному рельсовому пути, проложенному вдоль всего канала печи. Камеры сушки и тушения угля вмещают по 15 вагонеток; камера жжения - 5 вагонеток, по одной вагонетке находится во вводном и выводном тамбурах печи.
В печи Грум-Гржимайло осуществляется внешний нагрев во избежание разбавления парогазов, облегчения их конденсации и улавливания ценных жидких продуктов сухой перегонки дров.
Для безопасности работы сушильной и тушильной камер требуется бескислородный состав греющих и охлаждающих дымовых газов. Для этого топки у печи сделаны полу газовыми.
Сушка дров производится продуктами горения топливных дров и неконден-сирующих газов в полугазовой топке. Продукты горения непосредственно соприкасаются с дровами в камере сушки и вместе с парами воды при температуре около 70С поднимаются в термосифон. Здесь они охлаждаются до 40-50С, поступают в камеру тушения угля в выходном конце и выходят при температуре около 160С из вводного конца этой камеры через дымовую трубу в атмосферу.
В камере жжения высушенная и нагретая древесина переугливается. Температура вверху камеры жжения около 360С и внизу около 300С. Продукты разложения из камеры жжения по газопроводу поступают в конденсационную систему.
Достоинство печи: высокая производительность, механизация основных производственных процессов, утилизация жидких продуктов термического разложения, хорошая работа полугазовых топок, простота, удобство обслуживания и малое количество обслуживающего персонала.
Недостатки печи: несовершенная конструкция подъёмных шиберов, пониженный выход жидких продуктов. Циркуляционная вагонеточная печь системы профессора В.Н. Козлова основана на использовании принципа внутреннего обогрева.
Решетчатые стальные вагонетки ёмкостью 10 м загружаются чураками длиной 200 мм. Измельчение дров ускоряет сушку, увеличивает выход ценных продуктов и улучшает механические свойства угля.
Вагонетки с дровами поступают в сушилку через каждые 2-3 часа противотоком к топочным газам, вдуваемым в сушилку дымососом. Дымовые газы отсасываются из топки калорифера с температурой 380-450С, перед дымососом разбавляются рециркулирующими дымовыми газами и при температуре 220С поступают в сушилку, где за 20 часов сырые дрова высыхают до 10-15% влажности и нагреваются до 100-110С.
Высушенные дрова подают в камеру переугливания, где они передвигаются противотоком к греющим парогазам, поступающим из калорифера с температурой 390С. Вместе с продуктами пиролиза древесины парогазы выходят из камеры переугливания с температурой 160-180С и поступают в конденсационное отделение.
Циркуляция парогазов осуществляется вентилятором. Калорифер 6 пред-ставляет собой три трубчатки общей поверхностью 160 м , обогреваемые снаружи топочными газами. Для лучшего использования тепла топочных газов наиболее горячие газы идут прямотоком с нагреваемым теплоносителем в первой трубчатке и противотоком во второй и третьей трубчатках.
Производительность печи составляет 105-126 м в сутки на один канал, в зависимости от влажности переугливаемой древесины. Выход древесного угля при переработке древесины мягких лиственных пород составляет 37-40% по весу к абсолютно сухой древесине. К достоинствам печи относится механизация всех трудоёмких работ по обслуживанию печи, мягкие условия ведения процесса пиролиза.
На рис. 1.2 представлена установка «Буревестник» для производства древесного угля из крупнокусковых лесосечных отходов и низкосортной древесины. Основной аппарат установки - вертикальная непрерывно-действующая реторта, в которую подаются сверху чурки (длина 20-25 см, диаметр до 20 см). Реторта и сушилка работают по схеме полного сжигания парогазов, получаемых при термическом разложении древесины. При этом обеспечивается полное покрытие потребности процесса в тепле, если начальная относительная влажность древесины не превышает 40-45%. В сушилке обеспечивается снижение влажности древесины до 10-15%.
Производительность установки составляет 1 тыс.т. древесного угля в год при относительной влажности древесины 45% и 2 тыс.т. древесного угля в год при относительной влажности древесины 25%. Содержание нелетучегоуглерода составляет не менее 88%, массовая доля угля крупной фракции (более 12 мм) -83%, массовая доля золы не более 2,5%, влажность угля не более 6%.
Анализ зависимости характеристик уплотнённой древесины от плотности
Таким образом, все функциональные зависимости характеристики от степени уплотнения находятся через коэффициенты основной зависимости от объёмного веса (2.1), через коэффициенты линейной аппроксимации аиЬ.
Определение этих коэффициентов производилось нами по экспериментальным данным методом наименьших квадратов. Их вычисление для аппроксимации характеристик прочности и жёсткости приведено в табл. П. 2.1 - П 2.31 прил. 2. В этих же таблицах вычислены теоретические значения физико-механических параметров по найденным уравнениям, а также отклонения теоретических значений от результатов эксперимента. Вычислены коэффициенты аи b,a также найденные с их помощью значения характеристик:
Под /тах подразумевается плотность древесины при максимальном уплот-нении /тах=1,5 г/см. Были подсчитаны абсолютные и относительные интервалы изменения физико-механических характеристик, т.е. величины:
По данным табл. П. 2.1 - П 2.31 обнаруживается, что прирост характеристик прочности при уплотнении увеличивается для пород с меньшим начальным удельным весом. Это объясняется тем, что при малом начальном удельном весе диапазон уплотнения до максимальной степени при YmsK=\,5A г/см соответственно возрастает. Таким образом, древесина с малым удельным весом, и прежде всего осина, является более благоприятным сырьём для уплотнения с точки зрения результата. Кроме того, процесс уплотнения древесины с малой плотностью проще осуществим. Для оценки сопоставимого прироста абсолютных и относительных значений характеристик прочности и упругости может служить величина коэффициента регрессии «Ь».
В табл. 2.1 приведены значения коэффициентов регрессии для различных пород и различных видов деформирования. По её данным можно сделать следующие выводы:
1. Наивысший рост прочности от уплотнения древесины имеет место при её работе на статический изгиб.
2. Значительно возрастает прочность уплотнённой древесины при сжатии её вдоль волокон и поперёк волокон в радиальном направлении.
3. Прочность уплотнённой древесины при сжатии поперёк волокон в танген-тальном направлении растёт значительно слабее (примерно в два раза), чем при сжатии вдоль волокон.
4. Лиственные породы обнаруживают значительно большие колебания прочности при уплотнении, чем хвойные породы.
5. Сравнительно медленнее при уплотнении возрастает прочность на скалывание и раскалывание. 6. Медленно возрастает при уплотнении сопротивляемость древесины ударному изгибу.
Для уплотнённой древесины, в том числе исследуемой древесины осины, как сырья древесноугольного производства, наиболее значимыми являются характеристики ударной твёрдости и износостойкости. Их высокие показатели определяют возможность многократного использования угольных сорбентов после их регенерации.
Указанные характеристики уплотнённой древесины в функции от плотности (или объёмного веса) аппроксимируются полиномом второй степени:
Принимая в качестве исходных основных зависимостей (2.7) или (2.8), нельзя без тщательного анализа сразу же отбрасывать возможность аппроксимации характеристик твёрдости и износа линейной функции. Последняя всегда даёт более простые производные зависимости, и поэтому она намного удобнее. Окончательное суждение о возможности или невозможности использования линейной аппроксимации можно сделать только после выяснения степени их согласованности с экспериментальными данными. Поэтому, при определении аналитических взаимосвязей характеристик износа и ударной твёрдости по уравнениям (2.7) и (2.8), одновременно выполнялась аппроксимация по линейной функции вида (2.1).
Установим вид зависимостей (2.7) и (2.8) при выражении их в функции от степеней уплотнения по начальным и конечным размерам Є\ и S2, а также через логарифмический показатель уплотнения єл. Подставим значения у, выраженные через показатели уплотнения, в функцию (2.7). Получим соответственно зависимости характеристики от sj, Є2 и єл. by, су, (a + Таким образом, коэффициенты исходных зависимостей (2.7) или (2.8) а, Ь, с или Ко и h полностью определяют все прочие производные зависимости физико-механических характеристик износа и ударной твёрдости.
Относительно характеристик статической твёрдости сохраняют справедливость рассуждения, приведённые в предыдущем разделе.
Значения коэффициентов основных зависимостей характеристик твёрдости и износа подсчитаны по вышеизложенной методике. По данным этих таблиц обнаруживается, что прирост характеристик тем больше, чем больше начальный объёмный вес. Следовательно, для получения максимальных характеристик твёрдости следует в качестве исходного сырья брать древесину с максимальным объёмным весом.
В табл. 2.2 приведены значения коэффициентов регрессии для линейных зависимостей исследуемых характеристик твёрдости и износа. По данным этой таблицы можно сделать следующие выводы:
Числовой величиной, выражающей полноту линейной зависимости между двумя признаками, является коэффициент корреляции г. Его величина колеблется от -1 до +1. При г = 1 имеет место функциональная связь между изучаемыми признаками. Коэффициент корреляции, равный нулю, указывает на отсутствие связи или на то, что она имеет криволинейный характер.
Методика планирования и проведения экспериментальных исследований процесса пропитки
Исследуемые гранулы древесного угля изготавливались из уплотнённой древесины осины и натуральной древесины дуба. Уплотнение древесины осины осуществлялось с учётом методики, изложенной в главе 2. Пиролиз выполнялся в герметичной прямоугольной реторте из нержавеющей стали, содержащейся в муфельной печи с керамической облицовкой SNOL 8,2/100. Режим температура-время выбран на основании [28] и осуществлялся из примерно линейного увеличения температуры от 20 до 600С в течение 8 часов.
Продолжительность термообработки контролировалась программируемым таймером VARTA ТР 403, а температура измерялась термопарами, установленными в облицовке печи.
Для получения гранул древесные угли измельчались в ступке пестиком, а затем сепарировались на фракции с размером частиц 0,1... 0,3 мм и 0,3... 0,5 мм.
Исследования сорбционных свойств гранул древесного угля по отношению к ионам свинца проводились в Центре исследования и контроля воды с использованием метода атомной эмиссии с индуктивно связанной плазмой на спектрометре IRIS Intrepid II XDL Duo фирмы Thermo Jarrell Ash. Эти методы подробно описаны в монографии [101].
Арсенал методов исследования сорбционной структуры и свойств древесных активных углей весьма разнообразен и, по-видимому, нет необходимости в разработке новых путей оценки древесных активных углей как сорбентов. Результаты экспериментов по разделу 3.5 не обрабатывались автором настоящей работы методами, изложенными в [90,102], так как были оформлены в виде официальных заверенных актов испытаний, полученных из Центра исследований и контроля воды, и их содержание не вызывают сомнений.
Наиболее интересным с точки зрения методики исследования процесса является использование центрифуги в качестве оборудования для создания градиента давления. Размещая образец в поле центробежных сил, возможно относительно просто осуществить практически бесступенчатое (принцип вариатора) изменение определяющих параметров процесса путём радиального перемещения пропитываемых образцов в силовом поле. Изменяя лишь два геометрических параметра -длину образца и полярную координату - легко устанавливать как заданную величину давления жидкости, так и градиент давления на концах образца.
Пропитка осуществлялась с использованием лабораторной центрифуги с п=500 об/мин и радиусом вращения 380 мм, оснащённой стальными стаканами, куда заливалась пропиточная жидкость и размещались образцы. В связи с конструктивными особенностями опытной установки (при условии размещения пропиточных стаканов на платформе центрифуги) эффективных размеров вращения можно считать величину 200-220 мм.
Герметизация цилиндров, после их заполнения раствором пероксида, осуществляется дисковым затвором с прижимными винтами.
Широкомасштабные экспериментальные исследования, проведённые НПО «Центр» (г. Минск) и Санкт-Петербургским государственным лесотехническим университетом имени СМ. Кирова, подтвердили высокую эффективность и качество пропитки в центробежном поле. В результате этих экспериментов было выявлено, что проникающая способность водных растворов мало чем отличается от воды. Установлено, что проникновение водных растворов в древесные КПС при пропитке происходит как с боковой, так и с торцовой поверхности образца [37,41,42,55,64,83].
Исходя из методики проведения экспериментов, данной в главе 3, были проведены эксперименты по первому (вымачивание) и второму (попутная центробежная пропитка) способам для образцов длиной 35, 50 и 65 мм. Результаты экспериментов пропитки образцов, полученные из разных пород исходной древесины, вымачиванием и попутно-центробежным способом, даны в табл. 4.1 и 4.2.
Из анализа табл. 4.1 и 4.2 видно, что при увеличении концентрации раствора пероксида средняя величина поглощения при вымачивании уменьшается, а при попутно-центробежной - увеличивается. При этом за одно и то же время при центробежной пропитке образцы повышают свою массу примерно на 50%, а при вы 82 мачивании - только на 1%, т.е. меньше в 50 раз, что сходится с ранее приведёнными исследованиями, проведёнными В.И. Патякиным, СМ. Базаровым [83].
При режиме попутно-центробежной пропитки средняя величина поглощения Q составила для угля из древесины дуба 15%, а для угля из осины 18%. Количество поглощённого пропиточного состава Q, % определялось следующим образом: е = .ш % (4Л) где m,n - масса образца после пропитки; аъц - масса образца до пропитки.
Количество раствора пероксида, поступившего в образец угля из осины при вымачивании, колеблется в пределах 130...300 кг/м . При попутно-центробежной пропитке этот показатель увеличивается до 400...500 кг/м , что сходится с ранее проведёнными исследованиями [83]. Наиболее интенсивно пропитка угля из осины происходит при центробежном способе в первые пять минут времени.
Экспериментальные исследования процесса сорбции бензола из водной среды
Процесс уплотнения образцов осуществлялся в следующей технологической последовательности.
В прессовый канал экструдера закладывался первый образец 2 из натуральной древесины. Пресс-форма подвергалась воздействию акустического поля (в течение всего периода процесса прессования), передаваемого от генератора через магнитостриктеры 4. Пуансон 7, установленный на штоке пресса, совершал рабочий ход и продвигал образец в канал 3 экструдера, выполненный в виде усечённого конуса с наклоном образующей 18, на глубину 60 мм (высота образца). После подъёма пуансона 1 в исходное положение в пресс-форму загружался следующий образец и так же, за счёт силового воздействия, продвигался в канале экструдера на глубину 60 мм. Длина канала экструдера составляла 180 мм при максимальном диаметре конуса 50 мм и минимальном - 29 мм.
После загрузки четырёх образцов первый из них выталкивался из канала экструдера и попадал в съёмный стакан 5 с внутренним диаметром 29 мм, удерживаемый в контакте с экструдером подъёмным винтом 6 с упорной резьбой. Винт 6 размещался в корпусе 7, установленном на станине пресса. При этом между винтом и стаканом устанавливались стальные шары диаметром 15 мм в количестве 10 шт. (на чертеже условно не показаны), которые являлись акустическим демпфером между экструдером и металлоконструкцией пресса.
При перемещении уплотнённого образца в съёмный стакан подъёмный винт опускался в крайнее нижнее положение. Съёмный стакан извлекался из пресс-формы и помещался в термокамеру. На место извлечённого съёмного стакана устанавливался следующий приёмный стакан, удерживаемый в контакте с экструдером подъёмным винтом.
После выдержки съёмного стакана, с находящимся в нем образцом уплотнённой древесины, в термокамере влажность образцов снижалась до величины 4,0-6,7 %. Вследствие этого они свободно извлекались из полости приёмного стакана. Время термообработки составляло 4 часа.
При проведении работ выявлено, что при попытках уплотнения древесины при выключенном акустическом поле резко возрастает сила трения между наружной поверхностью образцов и внутренней поверхностью конуса экструдера; продвижение образцов вдоль оси экструдера становилось невозможным: их заклинивало во внутренней полости прессового канала.
Качественная и количественная картина адсорбции ионов свинца образцами древесного угля очевидна из данных табл.4.8. Так, например, через 60 мин. после начала адсорбции образцами №№1, 2 и 3 концентрация ионов свинца в модельном растворе составляла 0,016; 0,011; 0,168 мг/дм или 2,9; 2,1; 24% соответственно.
Следует отметить, что наличие процесса возвращения в водную среду модельного раствора ионов свинца после 60 мин их активной адсорбции древесным углём из натуральной осины, что хорошо видно из графика и данных табл. 4.9 -явление, причины которого не совсем ясны и требуют дальнейших исследований.
При возможности использования менее интенсивных режимов адсорбции (за время до 60 мин.) и меньшей степени снижения содержания ионов тяжёлых металлов в средах (приблизительно в 35 раза) можно рекомендовать дешёвые древесные угли, полученные из натуральной древесины осины.
Второе направление реализуется за счёт способа получения адсорбента ароматических углеводородов, разработанного на кафедрах Технологии лесозаготовительных производств и кафедры Химии древесины и лесохимических продуктов Санкт-Петербургского лесотехнического университета им. СМ. Кирова (СП6ГЛТУ)[111].
Способ включает процесс пиролиза исходной осиновой древесины, обеспечивающий получение древесного угля, его измельчение, активацию древесного угля пероксидом водорода, сепарацию, промывку дистиллированной водой и сушку конечного продукта.
Технологии получения древесного угля и пропитки его пероксидом приведены в предыдущих главах.
Для измерения объёмной и абсолютной плотности углей, а также для расчёта их пористости были использованы методы стандартов ГОСТ 10220 и 4657-84. Соответственно, абсолютно высушенные (120 С/2 часа) и измеренные образцы были взвешены (± 0,001 г) и погружены в кипящую воду на 1 час, а затем удерживались в воде при комнатной температуре в течение 24 часов. Затем образцы были извлечены и повторно взвешены после сушки поверхности для определения объёма воды, содержащейся в них.