На правах рукописи
Прокопьев Сергей Анатольевич
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УЛЬТРАОКСИПИРОЛИЗА
ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОНЕФТИ И
ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ
05.21.03 — Технология и оборудование химической переработки
биомассы дерева; химия древесины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2007 2
Работа выполнена на кафедре технологии лесохимических продуктов и биологически активных веществ Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М.Кирова
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Киповский А.Я.
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Пономарев Д.А.
кандидат технических наук, доцент Цыганов Е.А.
Ведущая организация: Архангельский государственный технический университет, 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17.
Защита диссертации состоится 24.01.08 на заседании диссертационного совета Д212.220.01. при Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М.Кирова (194021, г. Санкт-Петербург, Институтский пер., д.5)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТА
Автореферат разослан « 18 » декабря 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, Калинин Н.Н.
доктор технических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Стоимость ископаемых топлив на рынке с каждым годом постоянно увеличивается. В условиях глобального роста цен на углеводородное сырье ведется активный поиск альтернативных источников энергоносителей. В сложившейся ситуации использование биомассы возобновляемого сырья для получения энергии становится экономически выгодным.
Сравнительная энергетическая плотность топлив из древесной биомассы и традиционных из нефтяного сырья, ГДж/м3: опилки – 2,3;
древесная щепа – 7,2; пеллеты - 11,7; древесный уголь – 9,0;
древесноугольные брикеты – 19,5; метанол – 17,7; этанол – 22,4; биомасла Ensyn (Канада) - 20,0; бионефть Dynamotive (Канада) – 20,4; бионефть (СПб ГЛТА) – 30,5; биомасла (СПбГЛТА) – 32,3; дизельное топливо – 36,0; мазут – 38,4.
Учитывая перспективность развития биоэнергетики, во всех промышленно-развитых странах интенсивно прорабатываются направления термической переработки древесной биомассы, такие как газификация, ожижение, быстрый пиролиз биомассы (ультрапиролиз), включая специальные энергетические лесопосадки (ива, тополь, эвкалипт).
Цель и задачи исследования.
Цель работы – разработать оптимальную технологию ультраоксипиролиза древесной биомассы для получения бионефти и древесного угля как сырья для древесноугольных брикетов.
Задачи исследования:
1. Провести сравнение отечественных и зарубежных технологий ультрапиролиза, рассмотреть особенности технологий быстрого пиролиза отходов древесного сырья 2. Изучить влияние температурно-временных факторов на выход и состав получаемых продуктов ультрапиролиза.
3. Рассмотреть существующие математические методы расчета температурных полей ультрапиролиза в противотоке сырья и газового теплоносителя. На основе существующей программы “POLY.TERM” разработать новую программу расчета температурных полей “POLY.TERM 2”, позволяющую получать корректные значения распределения температур в процессе ультрапиролиза при противотоке газового теплоносителя и древесного сырья в плотном слое.
4. Экспериментально апробировать процесс скоростного пиролиза, получить экспериментальные данные и сравнить с данными, полученными расчетным путем для последующего проектирования пилотного модуля ультрапиролиза.
5. Разработать технологию ультраоксипиролиза для получения бионефти и древесного угля и оборудование транспортабельного модуля ультраоксипиролиза мощностью 1 т/час по сырью.
Научная новизна.
1. Разработана программа “POLY.TERM 2” для расчета температурных полей в процессе ультрапиролиза измельченной древесной биомассы с применением внутреннего нагрева газовым теплоносителем.
2. Рассчитаны температурные поля при интенсификации процесса пиролиза и скоростях газового теплоносителя выше скорости витания частицы.
3. Установлено теоретически и экспериментально подтверждено наличие критерия жесткости в области температур теплоносителя 600-900 0С.
4. Установлено и доказано влияние скорости нагрева на выход нелетучего остатка и определяющее значение критерия жесткости на распределение компонентов летучей фазы пиролиза.
Практическая значимость.
Разработанная технология позволяет достичь высокой экономической эффективности при переработке измельченного древесного сырья в альтернативное топливо и является основой для промышленного внедрения.
На защиту выносится:
- Сравнительная характеристика отечественных и зарубежных промышленных технологий ультрапиролиза древесного сырья;
- Положения и допущения, сделанные при разработке программы “POLY.TERM 2”;
- Основные зависимости распределения продуктов пиролиза при интенсификации процесса;
- Основные принципы технологии ультрапиролиза в формованном слое при противотоке сырья и теплоносителя.
Апробация работы.
Материалы исследования докладывались на:
- Ежегодной научно-технической конференции СПбГЛТА 2005 г.
- Ежегодной научной конференции молодых ученых СПбГЛТА 2005г.
- Международной конференции ”Актуальные проблемы биотоплива и биоэнергетики“. Санкт-Петербург, 2006г, - Ежегодной научной конференции молодых ученых СПбГЛТА 2006г.
- Ежегодной научно-технической конференции СПбГЛТА 2007 г.
- Международной конференции ”Актуальные проблемы биотоплива и биоэнергетики“. Санкт-Петербург, 2007г, Публикации.
По теме диссертации опубликовано 8 печатных трудов Объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и списка использованной литературы, включающего 209 наименований.
Работа изложена на 205 стр., в том числе 2 приложения на 20 стр. и включает 55 рисунков, 27 таблиц.
В введении рассмотрено современное состояние биоэнергетики в области термической переработки биомассы древесины.
Большинство мировых экспертов склоняются к производству древесных топливных гранул (пеллет), как альтернативе традиционным энергоносителям.
При ближайшем сравнении основных характеристик производства пеллет и бионефти (табл.1) видны очевидные преимущества последней.
Табл.1 Сравнительная характеристика пеллет и бионефти.
Бионефть – наиболее перспективный вид топлива из возобновляемого сырья, т.к. обладает высокой энергетической плотностью, в продуктах её сгорания фактически отсутствуют оксиды серы, а количество образующихся оксидов азота в половину меньше по сравнению с ископаемым топливом. Особое значение данного продукта проявляется при реализации Киотского Протокола о сокращении парниковых выбросов.
Бионефть обладает важным качеством – текучестью, это дает неоспоримые преимущества при её транспортировании, хранении и сжигании с регулируемым количеством кислорода.
Таким образом, перспективность развития биоэнергетики, экономические и экологические аспекты подталкивают к разработке промышленно приемлемых способов переработки древесной биомассы в энергоносители.
В главе 1 представлены современные теоретические основы пиролиза биомассы древесины. Рассмотрено влияние сырьевых и режимных факторов на выход и качество продуктов пиролиза.
Проанализировано влияние влажности на продолжительность процесса, а также возможность осуществления замкнутого теплового баланса пиролиза за счет использования экзотермического тепла и тепла от сжигания собственных неконденсирующихся газов. В целом из приведенных основ следует, что повышение выхода бионефти возможно за счет реакций рекомбинации арильных соединений с низкомолекулярными соединениями.
В главе 2 представлены некоторые особенности технологии пиролиза отходов древесного сырья: пиролиз с внешним нагревом, пиролиз с газовым теплоносителем, пиролиз с твердым теплоносителем, пиролиз в кипящем слое, высокочастотный пиролиз, плазмохимический пиролиз, электротермический пиролиз, термоокислительный пиролиз, абляционный пиролиз, пиролиз в формованном слое, термокаталитический пиролиз. Из особенностей приведенных технологий пиролиза древесной биомассы наиболее перспективными являются технологии кипящего слоя, абляционного пиролиза и формованного слоя с внутренним нагревом газовым теплоносителем.
В главе 3 введена классификация промышленного отечественного и зарубежного оборудования ультрапиролиза измельченного древесного сырья по 8 типам технологий, для чего выполнена их детальная характеристика.
1 Реторты шахтного типа Реторта Стаффорда, СIFIK, Ламбиотта, Карбохима, Славянского, Экофор, печь-газогенератор ЛТА. Данные технологии имеют схожий принцип проведения процесса пиролиза. Все реторты вертикальные, непрерывнодействующие, представляют вид шахт.
2. Реторты барабанного типа Орегонская, ВНИИТУСа, Р-1000. У представителей данного типа основным аппаратом является горизонтальная, имеющая небольшой наклон в сторону выгрузки, вращающаяся барабанная печь для пиролиза измельченной древесины.
3.Шнековые реторты Реторта Зимана, Томсона. Отличием данных технологий от других является наличие шнека в реторте, благодаря которому осуществляется регулируемая подача сырья, его продвижение по реторте и выгрузка получаемого продукта 4. Реторта вакуум пиролиза Реактор пиролиза биомассы Pyrovac, PyrocyclingТМ 5. Реторты быстрого пиролиза в слое уноса.
Реторта в потоке уноса Egemin, University of Waterloo 6.Реторты абляционного пиролиза.
University of Twente, BBC. Теплопередача происходит с помощью прямого контакта твердых частиц биомассы с нагретой теплопередающей поверхностью реактора.
7.Реторты кипящего слоя.
Реторта взвешенного слоя Фефилова, Установки Ensyn ENEL Bastardo, Ensyn RTP, Установки Dynamotive RTI. В данных технологиях процесс пиролиза происходит во взвешенном состоянии, следует отметить интенсивный теплообмен, скорость процесса. Недостатками является низкая концентрация жидких продуктов пиролиза в отработанном газовом теплоносителе и затруднения при отделении угольной пыли от летучих продуктов пиролиза.
8.Реторты формованного слоя.
Реторта электротермического, термоокислительного пиролиза, реторта Верхотурского КЭЗа, в которой заложен принцип противотока формованного слоя и газового теплоносителя с температурой до 10000С.
Этот способ характеризуется следующими положительными особенностями:
- скорость продвижения сырья по сечению и длине реактора строго постоянна, что позволяет получить товарный продукт однородного качества;
- плотный слой позволяет значительно повысить скорость теплоносителя и, следовательно, существенно ускорить тепло- и массообмен в реакционной зоне;
- плотный слой препятствует механическому уносу частиц, позволяет улучшить степень полезного использования тепла и резко увеличить удельную производительность аппарата.
- увеличивается коэффициент заполнения реторты, что способствует уменьшению габаритов и соответственно снижению массоёмкости установки.
В главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований.
На первом этапе экспериментальной работы были проведены предварительные опыты для получения данных по изучению влияния скорости нагрева на выход конечных продуктов при пиролизе древесины.
Опыты проводились в лабораторных условиях на пилотной установке (рис.1) с фиксированной конечной температурой нагрева 600 0С. Загрузка в реторту составляла 1 кг.
В первой серии опытов древесина подвергалась постепенному медленному нагреву. Это имеет место и в существующих аппаратах пиролиза древесины.
Вторая серия опытов была проведена на той же установке только в условиях быстрого повышения температуры. Если в опытах с медленным нагревом реторта с древесиной загружалась в холодную муфельную печь и включался нагрев, то в случае скоростного пиролиза печь предварительно нагревалась до температуры 8000С, а реторта с древесиной подогревалась до 110 – 120 0С и только после этого помещалась в разогретую муфельную печь. В процессе пиролиза через минутный интервал регистрировались:
температуры муфеля, реторты, парогазов, объем конденсата и отстойной смолы, неконденсирующихся газов и давление.
Рис.1 Пилотная установка пиролиза древесины.
1 – муфельная печь; 2 – реторта; 3,4,5 – термопара ХА (хромель-алюмель); 6 – V – образный манометр; 7 – электронный потенциомер замера температур ЭПВ-2, 8 – ЛАТР; 9 – конденсационная система; 10 – емкость для сбора пиротоплива;
11 – фильтр; 12 –газовые часы ГСБ-400; 13 – горелка сжигания неконденсируемых газов.
В каждом опыте составлялся материальный баланс, а полученный конденсат анализировался на содержание летучих кислот, смолы, суммарных фенолов, нейтральных веществ. Из каждой серии по медленному и ускоренному пиролизу были определены средние значения выходов конечных продуктов пиролиза.
Представляло определенный интерес определение динамики выхода газообразных и жидких продуктов пиролиза, которые представлены на рис 2,3.
Рис.2 Медленный пиролиз березовой древесины, q = 0,06 0С/с, пир = 108·102с При медленном пиролизе (Рис.2.) древесины видно, что время max выхода конденсата находится на 12·102 с (на 20 минут) раньше времени основного выделения н/газов пиролиза.
Однако для ускоренного пиролиза (Рис.3.) разница по времени t уже составляет 2,5·10 с (4 минуты). Следовательно, наблюдается разница по времени в 5 раз между максимумами выходов н/газов и конденсата.
Рис.3 Быстрый пиролиз березовой древесины, q = 0, Сравнение результатов медленного и ускоренного пиролиза показало различие между выходами головных продуктов. Так при ускоренном пиролизе выход угля составил 22,83 % от а.с.д. против 31,51% от а.с.д.
при медленном пиролизе. Неконденсируемых же газов образовалось 24,86% от а.с.д., при медленном пиролизе 15,31% от а.с.д.. Выход конденсата по результатам опытов остался, приблизительно, одинаков, но произошло перераспределение входящих в него суммарных фенолов, где выход при медленном пиролизе составлял 3,98%, а при ускоренном 5,65% от а.с.д., суммарная смола в первом случае составляла 19,53%, во втором 21, 42% от а.с.д.
Выход летучих кислот по сравнению с медленным пиролизом уменьшился на 0,6% от а.с.д и составил 6,25% от а.с.д., а выход нейтральных веществ наоборот увеличился до 2,51 % от а.с.д. против 2,21% медленного пиролиза.
Рис. 4 Схема лабораторной установки пиролиза древесины.
1 – питатель; 2 – кварцевая трубка; 3 – холодильник; 4 – электрофильтр; 5 – катушка Румкорфа; 6 – трансформатор; 7 – приемник конденсата; 8 – нгазовые часы;
9 – гидрозатвор; 10 – ротаметр; 11 – баллон с гелием; 12 – магнитный пускатель;
13 – приемник угля; 14 - подогреватель угля; 15 – электронный потенциометр;
16 – ЛАТР; 17 – термопара ХА; 18 – трубчатая печь; 19 – резиновая мембрана;
20 – секционный регулятор; 21 – подогреватель древесины.
На втором этапе экспериментальной части изучалось влияние режимных факторов, таких как температура реакционной зоны, скорость нагрева, время пребывания парогазов и давление в реакционной зоне на выход и качество продуктов пиролиза. Опыты проводились на лабораторной установке рис 4.
Проведена серия опытов при температурах реакционной зоны Тр.з 500, 600, 700, 800, 900, 1000 0С, скоростей нагрева q от 2,2 до 10 0С/с (метод теплового удара) и времени пребывания парогазов в реакционной зоне в интервале п.г = 0,01 – 23,80 с.
Полученные результаты представлены на рис. 5 – Полученные данные (Рис.5) показывают, что при сокращении времени пребывания летучих продуктов разложения древесины в реакционной зоне с 23,8 до 4,4 с выход н/газов падает с 19,4 до 16,6 % от а.с.д., а образование древесно-смоляных продуктов пиролиза в свою очередь растет с 24,4 до 27,4 % от а.с.д. Время пребывания парогазов в реакционной зоне практически не влияет на выход угля, который составляет 20,1-20,7 % от а.с.д.
Результаты пиролиза (Рис.6) показали возможность снижения выхода неконденсируемых газов с 19,5% до 12,8% от а.с.д. при уменьшении времени пребывания парогазов с 1,30 до 0,30 с. В то же время происходит увеличение выхода смолы.
Рис.5 Влияние п.г на выход продуктов Рис.6 Влияние п.г на выход пиролиза. Тр.з = 500 0С; пир = 465 с; продуктов пиролиза. Тр.з = 600 0С;
Достигнутый максимум смолы 31,9% подтверждает определяющее влияние именно времени пребывания парогазов в реакционной зоне на распределение компонентов летучей фазы.
Тр.з = 700 0С; пир =240 с; q = 3 0С/с Тр.з = 800 0С; пир =150 с; q = 5.3 0С/с Последующее повышение температуры реакционной зоны приводит к резкому уменьшению выхода смолы (Рис.7). Так, при уменьшении времени пребывания парогазов с 3,1 до 0,8 с выход смолы уменьшился с 24,1 до 17,9 % от а.с.д., а выход неконденсируемых газов соответственно увеличился с 19,4 до 27,1% от а.с.д. Выход угля в каждом опыте постоянен, но повышение температуры ведет к его постепенному снижению. При Тр.з = 700 0С угля образуется около 16,2 % от а.с.д.
Повышение температуры реакционной зоны до 800 0С (Рис.8), изменяет характер выхода смолы и н/газов. Кривые выхода меняют форму (увеличивается их крутизна) с постепенным уменьшением оптимального интервала п.г. Также отмечено постоянство в выходе угля (около 15,8% от а.с.д.) при изменении продолжительности пребывания парогазов в реакционной зоне.
Оптимальное п.г для выхода древесно-смоляных продуктов (Тр.з = С) уменьшается с 0,24 до 0,03 с. Образование смолы увеличивается с 9,1% до 14,0%. В данных условиях (рис 9) наблюдается резкое увеличение выхода н/газов на 19,9% до 49,0 % от а.с.д. Это, по-видимому, связано с парофазным пиролизом древесно-смоляных продуктов при высоких температурах до низкомолекулярных газообразных веществ.
Из результатов последующих опытов повышение температур до С (Рис.10), скорости нагрева до 10 0С/с и времени пребывания парогазов в реакционной зоне п.г до 0,1с приводит к резкому уменьшению выхода смолы до 5,5% от а.с.д. и явному нарастанию выхода неконденсируемых газов. Так при Тр.з = 1000 0С и увеличении п.г с 0,01 до 0,07с растет выход н/газов с 30,1% и достигает максимума 57,2% от а.с.д. Количество Рис.9 Влияние п.г на выход продуктов Рис.10 Влияние п.г на выход Тр.з = 900 0С; пир =126 с; q = 7,6 0С/с Тр.з = 1000 0С; пир =97с; q = 10 0С/с образовавшихся газов увеличилось на 27,1% только за счет увеличения п.г.
Результаты проведенных опытов однозначно свидетельствуют о наличии определенного температурного предела устойчивости парогазовой смеси пиролиза древесины, который определяется интервалом температур 800-1000 0С, т.к. при температуре 1000 0С и п.г более 0,03 с наблюдается интенсивное газообразование.
Из полученных данных следует, что для пиролиза с целью увеличения выхода угля необходим постепенный нагрев с регулированием температуры экзотермического выделения тепла. Для сохранения состава и выхода жидких продуктов пиролиза температура реакционной зоны не должна превышать 800 – 900 0С при минимальном п.г. Высокий выход н/газов возможен при температуре реакционной зоны не менее 800 0С и времени пребывания парогазов более 0,5 с.
В главе 5 представлена разработанная автором программа ”POLY.TERM 2”, позволяющая осуществлять прогнозирование температурных полей и распределения температур в формованном слое.
В основе алгоритма расчета температуры пиролиза лежит решение краевой задачи теплопроводности и теплового баланса:
G Г C Г (T2 T1 ) = GМ C М (t M 1 t M 2 ) уравнение теплового баланса с краевыми T = T, где Т1, Т2 - температуры газового теплоносителя в сечениях У1 и У2 - от места поступления cырья; tМ1, tМ2- средние по массе температуры кускового сырья в тех же сечениях; Тп – температура пиролиза m= - безразмерное соотношение теплоемкостей потоков материала и газового теплоносителя, GM, C M - расход материала, теплоносителя кг/ч;
A f - коэффициент теплоотдачи; - коэффициент теплопроводности;
a - коэффициент температуропроводности.
В результате решения уравнений и ряде допущений, предложены следующие формулы распределения температур частиц сырья и теплоносителя в процессе пиролиза:
Температура поверхности частиц.
Температура центра частиц.
Средняя по массе температура частицы.
Температура газового теплоносителя.
ТГ– средняя температура газового теплоносителя в данном сечении канала.
Проверка достоверности математического описания разработанной программы осуществлялась путем сопоставления расчетных данных ”POLY.TERM 2” с данными, полученными в результате пиролиза в реторте формованного слоя на пилотной установке Верхотурского КЭЗа с использованием в качестве сырья отработанной щепы завода.
В расчетах использовались 4 основных типа фракций сырья:
усредненная, крупная, средняя, мелкая, а также два варианта формирования слоя: 1й - с порозностью - 0.2 и 2й – с порозностью - 0.4.
На рис.11-15 представлены графики распределения температур для варианта 1.
Расчетная скорость теплоносителя для варианта 1 составляет 40 м/с.
Анализ данных графиков показывает о том, как с изменением dэкв частиц сырья меняется время пиролиза от 45 с при dэкв= 1,3·10-3 м до 373 с при dэкв= 7,4·10-3 м и необходимая длина реактора от 0.13 до 1.16 м соответственно.
В варианте 2 повышение порозности до 0.4 приводит к снижению расчетной скорости теплоносителя до 10 м/с. Из представленных графиков видно резкое увеличение времени пиролиза от 102 с. до 650 с., а также размеров реактора от 0.4 до 2.6 м. соответственно при использовании в качестве сырья щепы мелкой, средней и крупной фракции.
Расчеты проведены для модели реторты формованного слоя с противотоком газового теплоносителя, схема представлена на рис.15.
Рис.15. Модель расчета реторты формованного слоя.
0,1,2,3,4 - термопары ХА замера температур в реакторе.
Исходные данные для программы ”POLY.TERM 2”, полученные расчетным путем для варианта 1,2 сведены в табл. 2.
Табл.2 Исходные данные для программы ”POLY.TERM 2”.
Наименование и единицы измерения теоретической в программе 4.Скорость подачи теплоносителя, м/с 5. Температура теплоносителя на входе, 0С 6. Температура теплоносителя на выходе, 0С 7. Температура сырья на входе, 0С 8.Температуропроводность сырья, м2/ч 11. Эквивалентный диаметр частиц сырья, 10-3 м 13. Расчетное время пиролиза, с Данные для второго варианта, значения которых отличаются от первого, приведены в скобках.
Сопоставление температур газового теплоносителя по длине реактора (времени обработки) для экспериментальных данных верхотурской установки формованного слоя и данных, полученных расчетным путем при помощи программы ”POLY.TERM 2” представлено на рис.16.
Рис.16. Температуры газового теплоносителя по длине реактора в зависимости от dэкв перерабатываемого сырья.
1 Вариант: 1 – усредненный dэкв крупной, средней, мелкой фракции, 5,1·10-3 м; – dэкв крупной фракции, 7,4·10-3 м; 3 – dэкв средней фракции, 5,3·10-3 м; 4 – dэкв мелкой фракции, 1,3·10 м.
2 Вариант: 1’ – усредненный dэкв крупной, средней, мелкой фракции, 5,1·10-3 м; ;
2’ – dэкв крупной фракции, 7,4·10-3 м; 3’ – dэкв средней фракции, 5,3·10-3 м; 4’ – dэкв мелкой фракции, 1,3·10-3 м.
На рис.16 объединены два варианта пиролиза с различной порозностью слоя с целью наглядно отобразить влияние формирования плотного слоя на длительность процесса пиролиза и длину реактора.
По расположению кривых на графике следует, что для оптимизации времени проведения процесса и уменьшения габаритов реактора необходимо создавать плотный слой с повышенными скоростями теплоносителя, а также использовать сырьё узкой фракции с наименьшим эквивалентным диаметром частиц.
В главе 6 представлена технология и оборудование модуля ультраоксипиролиза по переработке древесных лесосечных отходов в формованном слое производительностью 1 т/ч по сырью (рис.17) с получением бионефти и древесного угля.
Основные стадии технологического процесса.
• Измельчение сырья.
• Непрерывная высокотемпературная прямоточная сушка сырья до Wк 10 – 15% топочными газами за счет тепла от сжигания собственных частично обессмоленных парогазов ультраоксипиролиза.
• Непрерывный интенсивный ультраоксипиролиз в реакторе модуля с внутренним нагревом высушенного сырья за счет тепла от сжигания собственных парогазов и генераторного газа от частичной регенеративной газификации получаемого угля.
Рис.17 Технологическая схема модуля ультраоксипиролиза.
1 – бункер щепы, 2 – ковшовый элеватор, 3 – приемник щепы, шнековый питатель, 5 – сушилка, 6 – дымосос, 7 – коллектор сушилки, 8 – коллектор реторты, 9 – реторта, 10 – совмещенная топка, 11 – шнековый выгружатель, 12 – воздушный холодильник, 13 – смолоотделитель, 14 – каплеуловитель, 15 – смеситель, 16 – воздуходувка, 17 – гидрозатвор, 18 – пыльник, 19 – сборник конденсата, 20 – микродиффузионная горелка.
• Охлаждение парогазов ультраоксипиролиза и частичный отбор бионефти в конденсаторе и каплеулавливателе.
• Сжигание части парогазов для формирования теплоносителя ультраоксипиролиза.
• Частичная газификация угля с регулируемым количеством подачи кислорода.
• Отбор древесного угля, охлаждение древесного угля на выходе и доохлаждение его в кюбеле.
• Формирование теплоносителя сушки сырья.
Модуль обеспечивает непрерывную, круглосуточную переработку до 7200 т сырья в год с получением 1440т бионефти и 1080т древесного угля.
Для данной установки рассчитано предварительное техникоэкономическое обоснование. По расчетам прибыль составит 117288 € в год.
Экологическая доброкачественность модуля:
При переработке сырья предлагаемым методом, отходы основного производства отсутствуют.
ВЫВОДЫ
1. Выполнен аналитический обзор по состоянию и перспективам развития технологий быстрого пиролиза биомассы. Проведено сравнение характеристик отечественного и зарубежного оборудования по основным параметрам: единичная мощность, металло-, энерго-, трудозатраты на единицу продукции. Создана классификация промышленных технологий быстрого пиролиза древесной биомассы по восьми типам: шахтного, барабанного, шнекового, кипящего слоя, вакуумного, в слое уноса, абляционного, формованного слоя. Собраны и представлены материалы по более чем 40 работающих технологий в России и за рубежом.2. Выполненные исследования доказали влияние температурновременных факторов на процесс ультрапиролиза. Выход конечных продуктов определяется не столько условиями подвода тепла в реакционную зону, сколько характером и скоростью нагрева частиц сырья до температуры начала экзотермической стадии термического разложения, а также временем пребывания парогазов в реакционной зоне.
3. Разработана программа “POLY.TERM 2”, что позволяет решить следующие задачи: рассчитать распределение температурного поля внутри частиц сырья в определённое время и в заданном сечении по длине реторты; определить целесообразно-необходимую длину \высоту\ реторты для проведения пиролиза в минимальное время; исследовать влияние входных параметров: скорость и температура теплоносителя, размеры частиц и влажность сырья, а также породы древесины и т.д. на конечные результаты пиролиза; определить среднюю по массе температуру кускового сырья в процессе переработки, а также распределение температур газового теплоносителя по длине реторты.
4. Выполнено сопоставление расчетных данных распределения температурных полей по длине реторты, полученных с помощью программы “POLY.TERM 2”, с экспериментальными данными модуля ультрапиролиза Верхотурского КЭЗа. Проведенные расчеты показали адекватную сходимость расчетных данных с экспериментальными.
ультраоксипиролиза мощностью 1 т/час по сырью, отличительными особенностями которого являются: совмещение основных стадий термообработки измельченного сырья в едином аппарате с плотным движущимся формованным слоем и самостоятельными газовыми контурами в каждой зоне; использование для стадии сушки и ультраоксипиролиза сырья только тепло от сжигания собственных парогазов пиролиза; противоточно-внутреобъемный режим в зоне пиролиза с минимальным временем пребывания парогазов пиролиза в реакционной зоне; оптимальный температурный режим ультраоксипиролиза дающий возможность получить высокий выход бионефти и качественного древесного угля.
Основное содержание диссертации изложено в следующих 1. Прокопьев С.А. Роль температурно-временных факторов при ультрапиролизе древесного сырья /Киповский А.Я., Пиялкин В.Н., Белоусов И.И., Прокопьев С.А.// ИВУЗ. Лесной журнал. – 2004. – вып.4. – С. 85 – 92.
2. Прокопьев С.А. Разработка технологии ультрапиролиза древесного сырья в формованном слое.//Известия СПбГЛТА. Сборник докладов молодых ученых. – 2006 г. – вып.10. – С. 46 – 51.
3. Прокопьев С.А. Problems and perspectives of woodwaste bio-oil production./ Piyalkin V.N., Prokopiev S.A., Pilschikov Y.N., Shirshikov V.I. // Actual Problems of Biofuel and Bioenergy. International conference. SPb. – 20-22.07.2006. – Р. 72 – 75.
4. Прокопьев С.А. Сырье и продукты пирогенетической переработки биомассы дерева/ Пиялкин В.Н., Иванов А.С, Прокопьев С.А.// Учебное пособие. СПбГЛТА. – 2006г. – 67с.
5. Прокопьев С.А. Some questions of bio-oil production from wood feedstock./ Prokopiev S.A., Pilschikov Y.N., Spitsyn A.A., Piyalkin V.N.(SPbFTA, Villemson S.A. (LLC “BIOOIL GRUPP”)// Actual Problems of Biofuel and Bioenergy. The international conference Biofuel and other types of renewable energy. SPb. – 7-8.06.2007. – Р. 56.
6. Прокопьев С.А. О возможности получения бионефти из отходов древесного сырья/ Прокопьев С.А., Пильщиков Ю.Н., Молодцев Ю.А.
Пиялкин В.Н., Киповский А.Я.// ИВУЗ. Лесной журнал.– 2007. – вып.5. – С. 74 – 85.
7. Прокопьев С.А. О возможности получения бионефти из древесной биомассы/ Известия СПб. ГЛТА. Сборник докладов молодых ученых. – 2007г. – вып.12. – С. 121– 123.
8. Прокопьев С.А. Заявка на патент. Способ производства биомасел и древесного угля из биомассы дерева и сушильно-ретортный модуль для производства биомасел и древесного угля. Приоритет от 18.04.2007.
Регистрационный № 2007114649.