Экспериментальное исследлванте влияния давления при пиролизе древесины

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 647. 8
Р. Р. Сафин, И. А. Валеев, Р. Г. Сафин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ
ПРИ ПИРОЛИЗЕ ДРЕВЕСИНЫ
Разработана экспериментальная установка для термического разложения древесины. Рассмотрено влияние режимных параметров на ход процесса, которое показало значительное сокращение продолжительности процесса и увеличение выхода летучих продуктов при понижении давления в аппарате.
В последние годы особенно динамично развивается рынок продуктов пирогенети-ческой переработки древесины, таких как древесный уголь и древесно-угольные брикеты. Ежегодно растет экспорт из России древесного угля и брикетов, имеющих низкую стоимость и высокое качество. В Западной Европе и США спрос на древесный уголь по статистическим данным, в среднем составляет примерно 1 кг в год на каждого жителя страны.
Однако существующие технологии по проведению процесса пиролиза не отвечают современным техническим требованиям по продолжительности процесса и улову газообразных продуктов.
Несмотря на сравнительную давность существования пирогенетической переработки древесины, развитие этого метода шло достаточно медленно. Поэтому в настоящее время в этой отрасли промышленности на заводах пирогенетической переработки существуют устарелые технология и оборудование.
При термической переработке древесины методом пиролиза получают:
• древесный уголь и древесно-угольные брикеты, спрессованные из отсева нетоварной фракции угля, находящие применение в быту, химической, металлургической, медицинской и других отраслях промышленности-
• жижку — продукт конденсации парогазовой смеси, при дальнейшей переработке которой получают ветеринарные и коптильные препараты, смолу древесно-омыленную, а также древесно-смолянные креозотовые масла, отличающиеся антисептическими свойствами и использующиеся для обработки юфтевых кож на кожевенных заводах взамен токсичного оксидифенила-
• неконденсирующиеся газы, которые можно использовать как для проведения самого процесса пиролиза, так и для получения дешёвой энергии при его сжигании.
Таким образом, получаемые при пиролизе продукты можно использовать в энергетических целях как альтернативные и возобновляемые источники энергии. Однако в существующих установках жижка и неконденсирующиеся газы не улавливаются или направляются в топку, что приводит к потере ценных продуктов.
Пиролиз древесины, основанный на нагревании до высокой температуры без доступа воздуха, представляет собой сложный процесс и является на разных этапах неодинаковым.
Так, нагревание древесины в период сушки и обугливания до начала экзотермической реакции — это процесс главным образом физический, а пирогенетическое разложение древесины — химический.
Для объективного понимания процесса пиролиза рассмотрим его стадии: сушка, собственно пиролиз и охлаждение.
Пиролиз начинается с сушки, в которой выделяют два этапа: первый из них происходит в сушилках, второй — досушивание пиролизуемого сырья происходит в ходе пиролиза. Стадия сушки древесины, заканчивается примерно при 1500С, при этом из древесины удаляется содержащаяся в ней влага, а химический состав древесины практически не меняется и летучие продукты не образуются [1].
Далее начинается стадия распада древесины. В этот период происходит разложение менее термостойких компонентов древесины с выделением реакционной воды, углекислоты и некоторых других продуктов, изменяется химический и элементарный состав. Особенно заметно в температурном интервале до 270 0С уменьшение массы целлюлозы [1].
При температуре 270 — 2750С начинается бурный распад древесины с выделением тепла (экзотермический процесс) и образованием основной массы продуктов разложения [2].
Стадия прокалки угля, заканчивающаяся в зависимости от типа аппарата и способа пиролиза при температуре 380 — 500 0С, способствует выделению значительного объема газов и небольшого количества жидких продуктов [3].
После окончания процесса пиролиза древесный уголь необходимо стабилизировать -лишить его способности самовозгораться. Самовозгорание происходит из-за наличия макрорадикалов, поэтому решение задачи сводиться к снижению количества парамагнитных центров в угле до уровня, при котором не происходит развития процесса его окисления кислородом воздуха до самовозгорания. Известно, что макрорадикалы в твёрдом веществе гибнут не в результате диффузии, а по эстафетному механизму путём многократного чередования реакций передачи цепи до тех пор, пока два активных центра не окажутся рядом и не произойдёт их рекомбинация [4]. Для этого древесный уголь необходимо охладить до 50 — 80 0С.
Экспериментальная часть
Для проведения экспериментальных исследований была создана установка (рис. 1), основным элементом которой является дифференциальный трансформатор 1, в котором с помощью специальных пружин 2 вывешивается сердечник 3. Указанные элементы помещены в герметичный корпус 4. Внутри сердечника крепиться термопара 5, концы которой припаяны к пружинкам 2. Вторая термопара 6 соединена с блоком АЦП 7 и служит для измерения температуры внутри камеры пиролиза 8, что позволяет регистрировать разницу изменения температуры внутри куска древесины и в слое загрузки. Свободные концы последних выводятся из корпуса дифференциального трансформатора наружу через резиновые прокладки 9 и присоединяться к АЦП. Обмотки дифференциального трансформатора питаются от сети переменного тока через понижающий трансформатор 10. Перемещение сердечника вследствие изменения массы образцов при пиролизе по этой схеме преобразуется в сигнал регистрируемый с помощью АЦП.
Камера пиролиза также снабжена патрубками 11,12, через которые сообщается с вакуумметром 13 и системой конденсации газообразных продуктов, образующихся при пиролизе.
Система конденсации парогазовой смеси представляет собой последовательно соединённые прямоточный конденсатор 14, сборник конденсата 15, кожухотрубчатый конденсатор 16 со встроенным сборником конденсата 17, газовые часы 18, горелку 19 и систему вакуумирования. Регистрация количества выделившихся неконденсирующихся газов осуществляется газовыми часами, горючесть неконденсирующихся газов определяется газовой горелкой при открытии вентиля 20. Система откачки представляет собой два параллельно соединённых эжекторных насоса 21, производительность которой регулируется вентилем 22. Вся информация о ходе процесса собирается в блок определения кинетических параметров процесса горения, состоящего из компьютера 23, аналогово — цифрового преобразователя (АЦП), регулятора мощности 24 и термопар. Блок определения кинетических параметров, позволяет осуществлять с помощью термопар реги-
Рис. 1 — Лабораторная установка для исследования процесса пиролиза древесины при различных давлениях среды
страцию температуры процесса пиролиза с частотой до 10 раз в секунду. Причем полученные данные сохраняются в базе данных компьютера с заданным интервалом времени.
Связь температурных датчиков с компьютером дает возможность регистрировать значения температуры с высокой частотой при подключении большого количества температурных датчиков. Соединение регулятора мощности с компьютером позволяет управлять электропечью 25 в соответствии с программой нагрева и обеспечить заданный темп нагревания образцов древесины в зоне пиролиза. Причем температурные датчики и регулятор мощности работают синхронно. Регистрируемые датчиками параметры сохраняются в базе данных и обрабатываются в режиме реального времени. В результате обработки данных определяется изменение массы пиролизируемого образца, характер и продолжительность фаз пиролиза. Для проведения опытов использовались образцы древесины размером 25×25×25 мм и влажностью 10%. Объем разовой загрузки составлял 50 г. Эксперименты проводились следующим образом. Предварительно взвешенные образцы 26 древесины помещались в емкость 27, подвешенную к штоку сердечника, в одном из образцов просверливалось отверстие вдоль волокон, в которое вставлялся спай термопары. Вторая термопара устанавливалась непосредственно в слой загруженных образцов. Регулятор мощности соединенный с компьютером управлял электропечью 25 в соответствии с программой нагрева и обеспечивал заданный темп нагревания образцов древесины в зоне пиролиза 10, 20, 30 град/мин.
Режимное давление в камере пиролиза фиксировалось манометром и устанавливалось при помощи эжекторных насосов (понижение давления), производительность которых регулировалась
открытием или закрытием вентиля 5 и составляло 0. 9, 0. 8, 0. 7, 0. 6, 0.5 кПа или баллоном с азотом 28 (повышение давления) до абсолютных значений давления 1, 2, 3, 4, 5 кПа.
Опыт прекращался после того, как масса образца достигала постоянной величины, что свидетельствовало об окончании выделения летучих веществ. После чего осуществлялось понижение температуры древесного угля системой охлаждения, состоящей из газодувки 29, конденсатора 14 при закрытом вентиле 30.
Заключение
Анализ влияния общего давления газов и паров при обугливании древесины показывает, что величина давления влияет как на выход конечных продуктов, так и на длительность процесса пиролиза в целом (рис. 2). Теоретические соображения приводят к выводу, что увеличение общего давления не благоприятствует реакции диссоциации (распада) продуктов обугливания древесины. Разрежение в камере способствует увеличению выхода жидких продуктов и сокращению продолжительности процесса.
ПЛ ост КГ
0. 34
0. 29
0. 24
0. 19
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5 б
а
6
Рис. 2 — Экспериментальные данные: а — влияние давления на выход древесного угля- б — влияния давления на продолжительность процесса пиролиза
Разработанная экспериментальная установка и проведенная серия опытов показывает возможность использования предложенного метода пиролиза древесины при регули-
ровании давления среды в промышленных условиях. Внедрение новых аппаратов пиролиза древесины способных работать при различных давлениях позволит получать необходимые продукты при значительной интенсификации процесса.
Литература
1. Корякин В. И. Термическое разложение древесины. — М. — Л.: Гослесбумиздат, 1962. — 305 с.
2. Кислицин А. Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы. — М.: Лесная промышленность, 1990. — 304 с.
3. Козлов В. Н., Нивицкий А. А. Технология пирогенетической переработки древесины. — М. — Л.: Гослесбумиздат, 1954. -510 с.
4. Завьялов А. Н., Ефимов Л. М. / Новые разработки в области пиролиза древесины: Сб. тр. ЦНИЛ-ХИ, 1984. -190 с.
© Р. Р. Сафин — канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ- И. А. Валеев — асп. той же кафедры- Р. Г. Сафин — д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КГТУ.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой