Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время получение энергии из биомассы, в связи с ростом цен на ископаемые энергоресурсы, является одним из наиболее динамично развивающихся направлений во многих странах мира. Наряду со сжиганием и газификацией, перспективной и наименее проработанной технологией энергетического использования биомассы является технология быстрого пиролиза. Данная технология позволяет обеспечить термохимическую переработку древесины до 80 % от исходной массы сырья в жидкие продукты, которые вызывают большой интерес вследствие высокой энергетической плотности и возможности их использования в качестве жидкого топлива и химического сырья. Переработка растительной биомассы на месте её образования позволяет наиболее эффективно реализовывать потенциал невостребованных возобновляемых ресурсов в существующей инфраструктуре топливно-энергетического и химического комплексов. Последующий сбор и транспортировка пиролизной жидкости в значительных объемах позволит обеспечить ее применение в качестве сырья для существующих химических производств. В зависимости от режимных параметров процесса пиролиза возможно существенное варьирование выхода и качества конечных продуктов. Наибольший выход жидких продуктов пиролиза возможно получить при термическом разложении древесины в интенсивных режимах и при незначительном времени пребывания продуктов разложения в реакционной зоне. Кондуктивный подвод тепловой энергии к сырью позволяет обеспечить интенсификацию процесса термического разложения древесины с увеличением выхода жидких продуктов, однако существующие работы не в полной мере отражают специфику термического разложения в условиях интенсивного подвода тепла. Поэтому комплексное исследование процесса термического разложения древесины при кондуктивном подводе тепла актуально как в научном, так и в прикладном направлениях.
Работа выполнена при поддержке: гранта Президента РФ № МК-2950.2007.3, гранта Всемирного банка в рамках конкурса «Инновации для устойчивого развития РТ» и гранта по программе Старт 1 № .
Цель работы
Состоит в исследовании процесса термического разложения древесины и разработке автономной технологии переработки отходов и низкокачественной древесины с получением жидких продуктов пиролиза и древесного угля.
В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
Разработать математическую модель термического разложения древесины при кондуктивном подводе тепла;
Разработать алгоритм расчёта математической модели термического разложения древесины кондуктивном подводе тепла;
Разработать экспериментальный стенд и провести исследования динамики плотности, температуры и давления при термическом разложении древесины при кондуктивном подводе тепла;
Провести исследование коэффициента проницаемости при термическом разложении древесины;
Разработать и изготовить промышленный образец, а также определить рациональные режимы ведения процесса на основе данных математического моделирования.
Научная новизна
Разработана математическая модель термического разложения древесины c учетом фильтрации продуктов пиролиза в пористом каркасе и дефектов каркаса, возникающих при термическом разложении;
В результате математического моделирования определено влияние значения удельного сечения дефектов каркаса на динамику давления в процессе термического разложения древесины;
Экспериментально определена температурная зависимость коэффициента проницаемости системы «древесина – уголь» в процессе термического разложения;
На основе результатов исследований разработан способ термической переработки органосодержащего сырья путём кондуктивного подвода тепла (патент №2009108597/04).
Практическая ценность
Результаты исследования процесса термического разложения древесины и математическое описание позволяют определить выход продуктов термического разложения и динамику температуры, плотности и давления в зависимости от температуры и давления в реакторе и параметров сырья.
Разработан экспериментальный стенд и методика проведения экспериментов, которые позволяют определить теплофизические характеристики и обеспечить комплексное исследование температуры, плотности, давления при кондуктивном термическом разложении лигноцеллюлозосодержащих материалов.
Разработан непрерывнодействующий производственный комплекс для осуществления переработки древесины термохимическим методом.
Реализация работы
Результаты проведенных в работе исследований процесса термического разложения древесины при кондуктивном подводе тепла реализованы в создании конструкторских решений, методик расчета, конструкторской документации и инструкций по эксплуатации установки быстрого пиролиза объёмом перерабатываемой древесины 50 кг/час.
По результатам исследования разработана схема производственного комплекса по переработке древесины методом термического разложения. Разработана и внедрена в производство в ООО «Сабинский полидрев» непрерывнодействующая опытно-промышленная установка для термохимической переработки низкокачественной древесины (УБП-50).
Автор защищает:
-
Математическую модель и результаты расчетов полей температуры, плотности и давления в процессе термического разложения древесины при кондуктивном подводе тепла.
-
Результаты экспериментальных исследований температуры, давления и плотности процесса термического разложения древесины при кондуктивном подводе тепла.
-
Конструкцию экспериментального стенда для исследования динамики процесса термического разложения лигноцеллюлозосодержащих материалов при кондуктивном подводе тепла и методику проведения экспериментов.
-
Схему производственного комплекса и способ переработки низкокачественной древесины методом термического разложения.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции "Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы", г. Казань 2008; Международной Научно-технической конференции " Актуальные проблемы развития лесного комплекса", г. Вологда 2008, Международном симпозиуме "Энергоресурсоэфективность и энергосбережение", г. Казань 2009; Международной молодежной научной конференции "Тинчуринские чтения", г.Казань 2009; Международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях" - ММТТ-22 Псков 2009; Международной научно-практической конференции "Биоэнергетика и биотехнологии - эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки", г. Москва 2009; II Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология", Казань 2008; IV Всероссийской научно-практической конференции "Энергетика в современном мире", г.Чита 2009.
Личный вклад автора. Вклад автора заключается в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. Автором изготовлены лабораторные установки; выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 25 печатных работ, из которых 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 157 страницах машинописного текста и включает в себя 64 рисунка и 6 таблиц. Список литературы включает 141 наименование цитируемых работ отечественных и зарубежных авторов.
