Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с постепенным истощением ресурсов нефти и природного газа, составляющих всего около 17% от мировых запасов всех видов ископаемого топлива, возрастает интерес к альтернативным источникам органического сырья - растительной биомассе и ископаемым углям.
Увеличение потребления твердого органического сырья сопряжено с рядом технологических, экономических и экологических проблем. Многие из существующих в настоящее время процессов глубокой переработки растительной биомассы и ископаемых углей уступают по интенсивности и экологической чистоте традиционным технологиям нефтепереработки и нефтехимии, требуют больших капитальных затрат и эксплуатационных издержек. Одним из путей интенсификации процессов термической переработки является предварительное измельчение твердого органического сырья, уменьшающее влияние диффузионных ограничений на скорость процесса. В последнее время для глубокой переработки древесины и углей все шире используются катализаторы, которые ускоряют протекающие химические превращения, увеличивают выход целевых продуктов и уменьшают вредные выбросы.
Наиболее актуальные направления работ в области создания научных основ высокоэффективных и экологически чистых процессов термической переработки (сжигания, пиролиза, газификации) растительной биомассы и ископаемых углей связаны с проведением каталитических процессов в условиях интенсивного массо- и теплопереноса. Для реализации таких процессов перспективно применение аппаратов с псевдоожиженным слоем катализатора окисления, разработанных в Институте катализа СО РАН для сжигания жидких и газообразных то плив.
Основной задачей настоящего исследования являлась разработка научных основ новых эффективных процессов термической переработки различных видов твердого органического сырья в реакторах с псевдоожиженным слоем каталитически активных частиц.
Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИХПОС СО РАН по программам фундаментальных исследований СО РАН "Новые процессы углубленной комплексной переработки минерального и вторичного сырья, нефти, угля, древесины" и "Разработка теоретических основ катализа и новых поколений катализаторов и каталитических процессов", а также в соответствии с заданиями государственной научно-технической программы "Комплексное использования и воспроизводство древесного сырья", государственной научно-техническая про-
4.
граммы "Экологически безопасные процессы химии и химической технологии".
Цель работы. Разработка новых подходов к осуществлению процессов термокаталитической переработки растительной биомассы и ископаемых углей, основанных на использовании аппаратов с псевдоожиженным слоем, и установление закономерностей протекающих термокаталитических превращений. Технологическая отработка новых, более эффективных, чем существующие.процессов пиролиза, газификации, активации и сжигания древесного сырья и ископаемых углей на лабораторных, стендовых и опытно-промышленных установках. Наработка опытных партий углеродных продуктов из твердого органического сырья и испытание их потребительских свойств.
Научная новизна. Разработаны новые подходы к осуществлению процессов термической переработки мелкодисперсного древесного сырья и ископаемых углей, основанные на использовании аппаратов с псевдоожиженным слоем каталитически активных частиц. Сформулированы основные представления о механизме термокаталитических превращений твердого органического сырья в псевдоожиженном слое. Впервые установлены основные закономерности процессов пиролиза, газификации и горения измельченного бурого угля и древесного сырья в каталитическом псевдоожиженном слое и границы устойчивого протекания этих процессов. Предложены эффективные методы регулирования выхода и состава газообразных, жидких и твердых продуктов термокаталитических превращений древесной биомассы и ископаемых углей, структуры и свойств углеродных продуктов. Разработана математическая модель, позволяющая оптимизировать процесс запуска аппаратов с псевдоожиженным слоем. Разработаны научные основы новых каталитических технологий окислительного пиролиза, частичной газификации, низкотемпературного сжигания древесной биомассы и бурых углей, отличающиеся от известных технологий более высокой эффективностью и экологической чистотой.
Практическая ценность. На стендовых установках, имеющих производительность до 200 кг/ч по сырью, отработаны технологии новых эффективных процессов скоростного окислительного пиролиза древесных отходов и канско-ачинских бурых углей, отличающиеся от известных аналогов более высокой (в 2-4 раза) удельной производительностью. Осуществлен подбор дешевых и доступных шлаковых материалов для использования в качестве каталитически активного наполнителя псевдоожиженного слоя для
5.
процессов сжигания, газификации и карбонизации твердого органического сырья. Проведены испытания потребительских свойств углеродных продуктов новых технологий, которые показали высокую эффективность их использования в качестве сорбентов, восстановителей, облагороженных твердых топлив.
На установке с производительностью 50 кг/ч по сырью отработана эффективная технология частичной газификации твердого топлива, предназначенная для использования в комбинированном энергетическом цикле.
На опытно-промышленном котле мощностью 8 МВт отработана технология сжигания канско-ачинского угля в псевдоожиженном слое, состоящем из смеси частиц инертного наполнителя и кат&тизатора окисления. Снижение температуры горения за счет применения катализатора позволило решить проблему шлакования теплообменных поверхностей и существенно снизить выбросы оксидов азота. Разработан способ безмазутной растопки котлов с псевдоожиженным слоем.
На защиту выносится.
Новый принцип организации процессов термокаталитической переработки пылевидного органического сырья на базе применения аппаратов с псевдоожиженным слоем катализатора окисления. Экспериментальные исследования и конструкторские решения по использованию этого принципа для реализации процессов карбонизации, газификации и сжигания древесной биомассы и бурых углей на установке с производительностью по сырью до 200 кг/ч.
Новый способ запуска аппаратов с псевдоожиженным споем, обеспечивающий сокращение стоимости и продолжительности этой операции. Математическая модель запуска аппаратов с кипящим слоем и процедура оптимизации этого процесса.
Результаты определения гидродинамических и макрокинетических параметров процесса карбонизации (автотермического окислительного пиролиза), древесного сырья и бурых углей в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора окисления, определение зависимостей, связывающих выход и свойства продуктов с условиями их получения, методику расчета режимов для получения углеродных продуктов с заданными свойствами.
Экспериментальные исследования и разработанные технологические решения по газификации пылевидного органического сырья в стационарном и циркулирующем псевдоожиженном слое мартеновского шлака с получением топливного газа. Высокоинтенсивные процессы активации дре-
6.
веского сырья и ископаемых углей для получения порошкообразных и зерненных углеродных сорбентов.
Экспериментальные исследования и конструкторские решения по сжиганию в каталитически активном псевдоожиженном слое твердых топ-лив с высоким выходом летучих веществ.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на I Советско-Индийском семинаре по катализу (Новосибирск, 1984), на Всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса", секция "Химическая промышленность" (Томск, 1985), на рабочем совещании "Каталитические генераторы тепла и технологические процессы на их основе" (Новосибирск, 1985), на Всесоюзном совещании "Химия и технология переработки угля, сланцев и нефтяных остатков" (Москва, 1985), на международной конференции "FUNCAT COGAS'86" ( Rolduc, 1986), на 7-ой Всесоюзной конференции по химии и использованию лигнина (Рига, 1987), on 9-th International Conference of Chemistry Engineering Chemistry Equipment Design and Automation "CHISA-87" (Praha, 1987), on 9-th International Congress on Catalysis. (Calgary, 1988), на Минском международном форуме (Минск, 1988), на Всесоюзном симпозиуме "Создание высокоэффективных процессов переработки и использования твердых горючих ископаемых, получения альтернативных моторных топлив и нефтехимических продуктов из угля" (Донецк, 1989), на Всесоюзном семинаре "Термогазификация биомассы" (Ленинград, 1989), on VIII Soviet-French Seminar on Catalysis: Catalysis for Environmental Protection (Novosibirsk, 1990), on Second International Symposium "Coal Structure'92" (Krakov, 1992), на Всероссийской конференции по экономическому развитию Сибири (Новосибирск, 1993), on 8-th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry (Helsinki, 1995), on 2-nd International Conference on Combustion Technologies for a Clean Environment (Lisbon , 1995), on 8-th International Conference on Coal Science (Oviedo, 1995), "VII конференции по химии и технологии твердого топлива России и стран СНГ (Звенигород, 1996), on 2-nd International Conference on Catalysis and Adsorption in Fuel Processing and Environmental Protection (Poland, 1996).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 52 научных публикациях, в том числе в одной коллективной монографии и 10 патентах и авторских свидетельствах.
7.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, выводов, списка принятых обозначений и списка цитируемой литературы (266 наименований). Работа содержит 186 страниц текста, 53 таблицы и 41 рисунок.