Пиролиз порубочных остатков в углевыжигательной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года

ПИРОЛИЗ ПОРУБОЧНЫХ ОСТАТКОВ В УГЛЕВЫЖИГАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Махмутов Рамиль Мухаметович

аспирант

Онучин Евгений Михайлович

к.т.н., доцент

Медяков Андрей Андреевич

к. т. н.

Анисимов Павел Николаевич

аспирант

Марданов Азат Ринатович

студент

В статье представлен вариант модернизации углевыжигательной печи для порубочных остатков, который позволяет ускорить процесс сушки за счет его форсирования. Получены зависимости, отражающие влияние температуры процесса сушки на тепловые потери печи и влияние объема загрузки и влажности исходного сырья на затраты топлива на весь процесс сушки

Ключевые слова: ПИРОЛИЗНАЯ ПЕЧЬ, ПРОЦЕСС СУШКИ, ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ, ПОТРЕБЛЕНИЕ ТОПЛИВА

В настоящее время древесный уголь используется достаточно широко, в том числе не только в бытовых целях, но и в качестве биотоплива для производства энергии, в качестве восстановителя при производстве чугуна, при производстве кристаллического кремния и кремнистых сплавов. При этом теоретические основы процессов углежжения были заложены достаточно давно [1-3]. Также были разработаны различные конструкции углевыжигательных печей [4-11], обладающие своими преимуществами и недостатками. Однако до сих пор широкого распространения установки по производству угля в нашей стране не получили. Также важной проблемой лесозаготовительной отрасли является утилизация порубочных остатков. Использование для этих целей углевыжигательных печей позволяет не только утилизировать значительные количества остатков, но и производить товарный продукт - древесный уголь. Для этих целей могут использоваться специальные автономные углевыжигательные установки, которые используют в качестве топлива порубочные остатки, при этом сырьем для угля должна являться высококачественная древесина лиственных или хвойных пород. В связи с этим задачи по повышению эффективности углевыжигательных установок являются актуальными.

Наиболее продолжительной и энергозатратной стадией в процессе пиролиза является стадия сушки древесины, которую в связи с этим можно модернизировать. Для этого в рамках представленной работы было необходимо произвести расчет потерь через ограждающие конструкции, рассчитать эффективность процесса сушки в зависимости от качества сырья, подобрать датчики температуры и влажности, вентилятор и воздушный клапан.

В качестве объекта модернизации была использована конкретная углевыжигательная печь, которая представляет собой горизонтально расположенную цилиндрическую металлическую «бочку» на двух опорах, наружным диаметром 2,2м и длиной 3м, со встроенной в неё топочной камерой. Корпус печи, топка, дверь люка и короб изготовлены из конструкционной углеродистой стали Ст3 толщиной 3мм. Снаружи печь обшита листовой сталью (жесть) толщиной 1мм. Обечайки корпуса соединены между собой двусторонними сварными швами, поверх которых установлены усиливающие бандажи (обручи из прямоугольной трубы сечением 40х20х2мм), придающие дополнительную прочность и жесткость конструкции корпуса и позволяющие обезопасить от повреждений в случае непредвиденного возрастания давления внутри ёмкости. Торцевые стенки также усилены ребрами из прямоугольной трубы такого же сечения. Параметры и характеристики печи представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры и характеристики печи

В представленную установку в рамках модернизации планируется установить высокотемпературные датчики температуры (термометр сопротивления LTS производства KOBOLD [12]) и влажности (гигрометра серии HygroFlex [13]), вентилятор (радиальный вентилятор низкого давления ВР 85-77 [14]) и приточный воздушный клапан.

После выполнения монтажа вышеперечисленных датчиков и приборов установка будет выглядеть в соответствии с чертежом, представленным на рисунке 1, и работать согласно блок-схеме, представленной на рисунке 2.

В начале, производится загрузка сырья, закрытие пиролизной камеры и задвижек, растапливание топочной камеры. Далее включается вентилятор, температура в пиролизной камере, контролируемая с помощью термометра сопротивления, начинает увеличиваться до требуемой (t_суш) с учетом положительной уставки 10 ^оС, после чего открывается приточный клапан и температура в пиролизной камере понижается до отметки до требуемой (t_суш) с учетом отрицательной уставки 10 ^оС. После этого приточный клапан закрывается и температура в пиролизной камере снова начинает расти. Цикл повторяется до тех пор пока, влажность на установленном на выходной трубе гигрометре не достигнет требуемой отметки (W_треб). Затем происходит отключение вентилятора, отсоединение дымовой трубы от пиролизной камеры и закупорка технологических отверстий и приточного клапана, непосредственный пиролиз, прокалка и охлаждение угля.

Рисунок 1 - Чертеж углевыжигательной печи после модернизации

Рисунок 2 - Схема работы углевыжигательной печи после модернизации

Для определения потерь через ограждающие конструкции в процессе сушки был выполнен расчет в среде Microsoft Excel. Ниже представлен расчет для температуры сушки t₂=50?С.

1) Определяем наружную площадь печи, S, м²

,

где l - длина печи, м; R - радиус печи, м;

м².

2) Находим коэффициент теплопередачи, k, Вт/(м²·K)

,

где d₁ - толщина внутренней стенки печи, сталь, мм; d₂ - толщина обшивка печи, мм; d₃ - толщина воздушной прослойки, мм; q_ст - теплопроводность стали, Вт/(м·K); q_в - теплопроводность стали, Вт/(м·K); б_н - теплоотдача к наружному воздуху, Вт/(м²·K); б_в - теплоотдача к внутренней стенке печи, Вт/(м²·K);

углевыжигательный печь порубочный топливо

Вт/(м²·K).

3) Определяем теплопотери через ограждающие конструкции, , Вт

,

где t₁ - температура окружающего воздуха, ?С; t₂ - температура процесса сушки, ?С;

 Вт.

Результаты расчета для различных режимов сушки представлены в виде графика на рисунке 3.

Рисунок 3 - График потерь через ограждающие конструкции в процессе сушки

Также для определения потребностей в топливе на процесс сушки был выполнен расчет в среде Microsoft Excel. Ниже представлен расчет для объема загрузки сушилки V = 0,5 м³ и влажности сырья W = 15%.

1) Определяем теплоемкость березы с учетом влажности, c_бw, кДж/(кг·?С)

где W - влажность исходного сырья, %; c_б - теплоемкость березы, кДж/(кг·?С); c_в - теплоемкость воды, кДж/(кг·?С);

2) Находим массу загруженного сырья, m_зс, кг

где V - объем загрузки сушилки, м³; с_б - плотность сырья березы, кг/м³;

3) Находим теплоту нагрева древесины до температуры испарения, Q_н, кДж

где t_зд - температура загруженной древесины, ?С;

кДж

4) Определяем теплоту испарения влаги из древесины, Q_исп, кДж

где L - теплота парообразования воды, кДж/кг;

5) Определяем суммарную теплоту на сушку с учетом КПД сушки, Q_суш, кДж

6) Находим потери теплоты теплопроводностью через наружную поверхность, J, кДж

, кДж

где T - продолжительность сушки, ч;

кДж.

7) Рассчитываем суммарные затраты теплоты на сушку с учетом КПД и потерь через ограждения конструкции, G, кДж

, кДж.

8) Находим затраты топлива на сушку, M, кг

где Q_с - теплота сгорания топлива, кДж/кг;

,кг.

Результаты расчета для различных объемов загрузки камеры и влажности исходного сырья представлены в виде трехмерного графика на рисунке 4.

Таким образом, в рамках работы представлен вариант модернизации углевыжигательной печи, который позволяет ускорить процесс сушки за счет его форсирования. Также получены зависимости, отражающие влияние температуры процесса сушки на тепловые потери печи и влияние объема загрузки и влажности исходного сырья на затраты топлива на весь процесс сушки. Полученные результаты могут быть использованы для повышения эффективности работы углевыжигательной печи после модернизации.

Рисунок 4 - Результаты расчета потребностей в топливе на процесс сушки в зависимости от влажности сырья и объема загрузки

Библиографический список

1. Богданов, Е.С. Справочник по сушке древесины / Е. С. Богданов, В. А. Козлов, Н. Н. Пейч. - М.: Лесная промышленность, 1981. - 191с..

2. Козлов, В. Н. Технология пирогенетической переработки древесины / В. Н. Козлов, А. А. Нивицкий. - М.: Гослесбумиздат, 1954. - 128с.

3. Мухина Т. H. Пиролиз углеводородного сырья / Т. H. Мухина, Н. Л. Барабанов, С. Е. Бабаш. -- М.: Химия, 1987. - 240 c.

4. Пиролиз ЭКО [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://pirolizeco.ru/kratkaya-istoriya-piroliza/, свободный.

5. Традиционные и современные технологии производства древесного угля - [Электронный ресурс] Режим доступа: http://pelleta.com.ua/tradicionnye-i-sovremennye-texnologii-proizvodstva-o2517.html, свободный.

6. Производство древесного угля, пиролиз древесины. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.fierydragon.ru/piroliz_drevesini.html, свободный.

7. Печи Кузнецова. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://stove.ru/index.php?lng=&rs=124, свободный.

8. Углевыжигательная печь УП»ЕВРО». [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://uglezhog.ru/products/2008-12-22-10-52-09/rus/, свободный.

9. Установка для углежжения с поворотными ретортами. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://blago-tt.ru/perspektivnye-razrabotki/ustanovka-dlya-uglezhzheniya-s-povorotnymi-retortami, свободный.

10. Углевыжигательные печи малого объема [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://лес-вологодчины.рф/uglevyzhigatelnye-pechi-malogo-obema, свободный.

11. Патент на изобретение 2235752 Российская Федерация, МПК51 C10B53/02 (2006/01) Печь углевыжигательная с регулятором теплового потока / Бакаев В.В., Рубцов Ю.В., Соловьев В.А., Гудим А.С.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т. - № 2003115483/15; заявл. 23.05.2003; опубл. 10.09.2004.

12. КИПИНФО Каталог приборов [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://kipinfo.ru/pribori/4820/, свободный.

13. Промышленные высокотемпературные гигрометры серии HygroFlex. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.technoac.ru/product/ hygrometer/hygroflex, свободный.

14. Вентиляторы радиальные низкого давления ВР 85-77 исп.1 (ВР 80-75) [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.tayra.ru/production/5916037/ 5919824/5916064/5916038/, свободный

Размещено на Allbest.ru