Совершенствование техники и технологии процесса термической переработки древесных отходов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Грачев, Андрей Николаевич

• Грачев, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Грачев, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ

ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ.

1.1. Классификация и характеристика древесных отходов как топлива.

1.2. Современное состояние технологии и аппаратурного оформления процесса сжигания древесных отходов.

1.3. Анализ систем очистки дымовых газов.

1.4. Анализ теоретических основ сжигания древесных отходов.

Выводы.

Постановка задачи.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ

ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ.

2.1. Физическая картина процесса сжигания древесных отходов.

2.2. Формализация процесса.

2.3. Методика расчета установки для термической переработки древесных отходов.

2.3.1. Математическая модель процесса сжигания древесного топлива.

2.3.2. Математическая модель процесса предварительной сушки древесного топлива.

2.3.3. Математическая модель процесса очистки газовых выбросов

2.4. Алгоритм расчета процесса термической переработки древесных отходов.

Выводы.

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА w ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ.

3.1. Описание экспериментального стенда для исследования процесса сжигания древесных частиц.

3.2. Методика проведения экспериментов и обработка экспериментальных данных.

3.3. Анализ результатов математического моделирования и tv экспериментальных данных.

Выводы.

Глава 4. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ

ОТХОДОВ.

4.1. Исследование структурно-механических свойств древесных отходов столярного цеха.

4.2. Разработка установок для сжигания древесных отходов.

4.2.1. Опытная установка для сжигания древесных отходов.

4.2.2. Промышленная установка для сжигания древесных отходов.

4.3. Реализация результатов исследований в учебном процессе.

4.4. Разработка новых технологических процессов и оборудования на основе проведенных исследований.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование техники и технологии процесса термической переработки древесных отходов»

Актуальность темы. Главными приоритетами программы развития отечественной энергетики являются повышение эффективности использования энергетических ресурсов и снижение негативного воздействия на окружающую среду /98, 99/, что достигается разработкой новых технологий и использованием возобновляемых ресурсов.

Одним из видов возобновляемых энергетических ресурсов являются отходы деревообрабатывающих предприятий. Однако в настоящее время уровень использования древесной биомассы для получения энергии на отечественных деревообрабатывающих предприятиях не превышает 9% от общего энергетического потенциала древесных отходов /104/. При этом комплексное использование отходов деревообработки в энергетическом балансе страны дает возможность значительно экономить традиционные виды топлива, а также снизить выделение парниковых газов в атмосферу.

Основными проблемами, лимитирующими процесс сжигания древесных отходов, являются: во-первых, неустойчивость и низкая эффективность процесса горения древесных отходов; во- вторых, отходы деревообрабатывающих и мебельных предприятий образуют при сжигании высокотоксичные соединения.

В связи с этим исследование процессов, протекающих при сжигании древесного топлива, разработка методов расчета оборудования, режимных параметров энергетической переработки древесных отходов и эффективных систем, снижающих токсичные выбросы в окружающую среду, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИОКР АН РТ (договор подряда № 07-7.5-229/2004).

Цель работы:

1) разработка эффективной схемы процесса энергетической переработки древесных отходов;

2) разработка методики расчета экологически безопасной установки для термической переработки древесных отходов с эффективной схемой утилизации тепла;

3) математическое моделирование технологического процесса энергетической переработки древесных отходов;

4) промышленная реализация результатов работы.

Научная новизна.

1) Предложена технологическая схема и разработана конструкция установки для термической переработки древесных отходов, защищенная патентом РФ, позволившие обеспечить высокую эффективность процесса энергетической переработки древесных отходов, а также снизить выделение токсичных веществ в окружающую среду.

2) Впервые разработана методика расчета процесса термической переработки древесных отходов с учетом процессов предварительной сушки за счет тепла низкотемпературных газов, выбрасываемых в традиционных схемах в атмосферу, и очистки дымовых газов от токсичных соединений.

3) Разработан графический способ выбора рациональных условий проведения процесса в зависимости от свойств древесных отходов в виде диаграммы.

4) Разработана конструкция экспериментального стенда для исследования процесса горения древесных отходов, а также методика и соответствующее программное обеспечение для проведения и обработки экспериментальных исследований по кинетике горения.

Практическая ценность. На основе результатов моделирования, дающих возможность оценить влияние свойств древесных отходов на режимные параметры процесса термической переработки древесных отходов и выявить кинетические характеристики процесса горения, разработана методика расчета конструктивных и режимных параметров процесса сжигания древесных отходов. Полученная методика расчета была использована при разработке установки для термической переработки древесных отходов. Использование данной установки позволило: повысить эффективность сжигания древесных отходов на 15-30 %, снизить до допустимых норм выделение токсичных веществ в окружающую среду, а также обеспечить комплексное использование сырьевых ресурсов на предприятии. Представленные в графическом виде анализ результатов моделирования и разработанная диаграмма позволяют выявить пути усовершенствования аналогичных технологических процессов. Разработанные на базе экспериментального стенда алгоритмы и программное обеспечение могут быть использованы для всестороннего автоматизированного контроля над процессом горения в подобных устройствах.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы при создании методики расчета и проектировании промышленной установки для термической переработки древесных отходов, а также в учебном процессе на базе экспериментального стенда для изучения процесса сжигания древесных частиц. Внедрение установки для термической переработки древесных отходов в технологический цикл ЗАО «Ласкрафт»(г. Казань) позволило получить суммарный годовой экономический эффект в размере 325 тыс. руб. Использование экспериментального стенда для исследования процесса сжигания древесных частиц в учебном процессе позволяет студентам в ходе практических занятий по дисциплине «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» (ТПОДП) осуществлять всестороннее изучение процессов горения и газоочистки. Результаты исследований были также использованы при разработке: углевыжи-гательной печи, установки для сжигания газовых выбросов, вытяжного устройства для аккумуляторов и устройства для нанесения защитных покрытий на поверхности труб. Автор защищает:

1) предложенную технологическую схему установки для сжигания древесных отходов;

2) методику расчета установки для сжигания древесных отходов;

3) результаты математического моделирования и экспериментального исследования;

4) конструкцию экспериментального стенда для исследования процесса горения древесных отходов, а также методику и соответствующее программное обеспечение для проведения и обработки экспериментальных исследований по кинетике горения;

5) конструкцию промышленной установки для сжигания древесных отходов.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на: IV республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан», Казань, 2000 г.; Всероссийских научно-практических конференциях «Химико -лесной комплекс-проблемы и решения», Красноярск, 2002-2004 г.; Международной научно-технической конференции «Лес -2004», Брянск, 2004 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». Вологда, 2004 г.; Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях». 2004г., 2002г.; Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004 г.; IV международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины -2004», Санкт-Петербург, 2004 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. Из них 1 статья и 4 патента на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 143 страницы текста основного содержания, 65 рисунков и 3 таблицы. Библиографический список включает 180 работ российских и зарубежных авторов. В первой главе проведен анализ современного состояния теории и техники по изучаемому вопросу. Во второй главе представлены математическое описание процесса термической переработки древесных отхо

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Грачев, Андрей Николаевич

Выводы

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана инженерная методика расчета процессов, протекающих при сжигании древесных отходов, а также учебно-методическая программная среда, предназначенная для проведения практических занятий на базе экспериментального стенда с использованием компьютера по курсу «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».

Полученные данные были использованы при проектировании и изготовлении ряда опытно-промышленных и промышленных установок, одна из которых внедрена на ЗАО «Ласкрафт». Промышленные испытания и технико-экономические исследования показали эффективность применения предложенных технических решений в условиях производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа содержит научно-обоснованные решения, направленные на совершенствование процесса термической переработки древесных отходов с целью получения тепловой энергии.

Аналитический обзор теории и практики по данному вопросу показал, что энергетическое использование древесных отходов лимитируется повышенной влажностью и нестабильностью состава. Термическая переработка на предприятиях деревообрабатывающей промышленности преимущественно осуществляется в топочных устройствах слоевого типа. Предварительное снижение влажности древесных отходов и применение абсорбционный системы очистки в топочных устройствах позволит решить ряд актуальных проблем, возникающих при утилизации древесных отходов. Однако отсутствие обобщенных методик расчета процесса термической переработки сдерживает его промышленное использование. Поэтому целесообразным представляется: исследование взаимосвязанных процессов термической переработки, предварительной сушки топлива и абсорбционной очистки отходящих дымовых газов; разработка обобщенной математической модели всего комплекса явлений процесса на основе известных положений теории тепло- и массообмена; создание усовершенствованных схем энергетической переработки древесных отходов; выдача рекомендаций по практическому применению результатов исследования.

В работе представлена математическая модель процесса термической переработки древесных отходов, которая позволяет проводить всесторонние исследования процессов, сопутствующих сжиганию древесного топлива, с целью оценки влияния различных факторов на кинетику и энергоэффективность процесса, совершенствования отдельных стадий и всего процесса термической переработки древесных отходов, выявления целесообразных областей применения метода сушки древесных отходов отходящими топочными газами, расчета и проектирования всего комплекса промышленного оборудования необходимого для организованного экологически безопасного сжигания древесных отходов в энергетических агрегатах. В ходе моделирования получен также ряд эмпирических выражений, позволяющих значительно повысить точность и снизить объем вычислений, а также увеличить область использования на примере уравнения Антуана. Решение полученной математической модели с помощью разработанного алгоритма позволило выявить рациональные режимы и выдать практические рекомендации по организации процесса термической переработки древесных отходов на практике.

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают результаты математического моделирования. Полученные данные свидетельствуют об эффективности использования процесса термической переработки древесных отходов предложенным способом. В ходе исследований подтверждена целесообразность использования сушильного бункера для предварительной сушки древесных отходов за счет тепла низкотемпературных газов, выбрасываемых в традиционных схемах в атмосферу, и разработана методика аналитического и графического расчетов параметров сушильного бункера и других элементов оборудования энергетической переработки древесных отходов.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы при создании методики расчета и проектировании промышленной установки для сжигания древесных отходов, а также в учебном процессе в виде экспериментального стенда для изучения процесса сжигания древесных частиц. Использование установки для сжигания древесных отходов в технологическом цикле ЗАО «Ласкрафт» позволило получить суммарный годовой экономический эффект в размере 325 тыс. руб. Использование экспериментального стенда для исследования процесса сжигания древесных частиц в учебном процессе позволяет студентам в ходе практических занятий по дисциплине «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» осуществлять всестороннее изучение процессов горения и газоочистки. Результаты исследований были также использованы при разработке: углевыжигательной печи, установки для сжигания газовых выбросов, вытяжного устройства для аккумуляторов и устройства для нанесения защитных покрытий на поверхности труб, новизна решений которых подтверждена четырьмя патентами РФ.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Зольность, %; коэффициенты в уравнении Антуана; коэффициент теплообмена излучением и конвекцией, Дж/(м2 с К); коэффициент избытка воздуха; коэффициент температуропроводности м2/с; удельная поверхность, м2/кг расход топлива, кг/сек; коэффициент массоотдачи м/с; определяющий размер частицы, м; толщина частицы, мм; коэффициент диффузии м/с; диаметр, м; порозность; энергия активации, кДж/моль; площадь поверхности, м2; относительная влажность газовой среды; текущая масса, кг; У скорость выгорания углерода, кМоль/(м с); высота, м; удельная энтальпия, кДж/кг, кДж/м3; поток массы кг/(м2 с) коэффициент теплопередачи, массопередачи, Вт/(м2 К), л кмоль/(м с (ед.дв.с.)); константа скорости химической реакции, 1/сек; масса извлекаемого компонента, кг/с; диффузионно-химический критерий подобия; количество вещества, моль; мощность, Вт; коэффициент полезного действия, %; парциальное давление, Па; сопротивление, Па; плотность, кг/м3; общее давление, Па; удельная теплота, кДж/кг; удельная мощность внутреннего источника, Вт/м3; теплонапряжение колосниковой решетки, кВт/(м2 ч) теплота парообразования, кДж/кг; универсальная газовая постоянная Дж/(Кмоль К) объем, удельный объем, м3, м3/кг; доля объемного содержания компонента; скорость течения фазы, м/с; влажность, %; удельное количество удаляемой влаги, кг/кг; мольная доля; плотность орошения, м/с; параметр зависящий от формы частицы; молярная масса, г/моль; теплоемкость удельная Дж/(кг К) текущее время, продолжительность, сек; текущая температура, °С(К); средняя относительная концентрация компонента в жидкой фазе, кМоль/ кМоль; средняя относительная концентрация компонента в газовой фазе, кМоль/ кМоль; текущая координата, влагосодержание газа, кг/кг;

X - коэффициент теплопроводности Вт/(м К)

- коэффициент, зависящий от характеристик насадки;

Индексы: ч- частица; пр- прогрев; с-сушка; л- термическое разложение, летучие; у- выгорание коксового остатка, углерод; п- пар; в- вода, воздух; н- насыщенный; н- начальный; к- конечный; хим- химический; 1- кислород ; 2-углекислый газ; 3- окись углерода; 0- при нормальных условиях, начальный ; к.з.- кислородная зона; в.з- восстановительная зона; сл- слой; пот- потерь; г-газ; пол - полный; пов -поверхность ; ка — котел; сух- сухой; м- мокрый, меньший; б- бункер, большее; пер- переходный; ср-среднее; ж- жидкость; нсд- насадка; э-эквивалентный; у- газовая фаза; х- жидкая фаза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Грачев, Андрей Николаевич, 2005 год

1. Агроскин А. А. Физика угля. М.: Недра, 1965.-352 с.

2. Ананьин П.И., Петри В.П. Высокотемпературная сушка древесины. М.: Гослесбумиздат, 1963. - 305 с.

3. Ахназарова C.JL, Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высш. школа, 1978.- 319с.

4. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Л.: Химия, 1979. - 176 с.

5. Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод) Под ред. С.И. Мочана. Изд. 3-е. Л., Энергия, 1977. 256 с.

6. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пыле-угольного факела. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 208 с.

7. Баженов В.А., Карасев Е.И., Мерсов Е.Д. Технология и оборудование производства древесных плит и пластиков. М.: Экология, 1992. - 416 с.

8. Бахмачевский Б.И. Теплотехника. -М.: Энергия, 1963. -725с.

9. Белосельский Б.С., Соляков В.К. Энергетическое топливо. М.: Энергия, 1980.-168 с.

10. Боровиков A.M., Уголев Б.И. Справочник по древесине. М.: Лесная пром-сть, 1989. - 296 с.

11. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчёта. М.; Л.: Химия, 1966. 535 с.

12. Быстров А.Ф. Основы для эффективного использования древесныхотходов деревообрабатывающего предприятия // Деревообрабатывающая промышленность. -1999. -№5, -С. 27-28.

13. Ведерников H.A. Клеточная стенка древесины. -Рига: Зинатне. 1972. -510 с.

14. Вержбицкий В.М. Численные методы (математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения). -М.:Высш. шк., -2001. -382 с.

15. Виленкин С.Я. Статистическая обработка результатов исследования случайных функций. -М.: Энергия, 1979.-320 с.

16. Вильяме Ф.А. Теория горения. М.: Наука, 1976.

17. Внуков А.К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов: Справ. -М.: Энергоатомиздат, 1992.-176 с.

18. Волков Е.А. Численные методы. М.: Наука, 1987. - 248 с.

19. Вопросы аэродинамики и теплопередачи в котельно-топочных процессах. Под ред. Г. Ф. Кнорре. Л., Машгиз, 1958.

20. Вулис Л.А Тепловой режим горения. -М.: Госэнергоиздат, 1958, -340с

21. Гаврилов Л.Ф., Малкин Б.М. Загрязнение и очистка поверхностей нагрева котельных установок. М.: Энергия, 1980. - 328 с.

22. Гидравлический расчет котельных агрегатов (нормативный метод). -М.: Энергия, -1978. -256с.

23. Головков С.И. Энергетическое использование древесных отходов. -М.: Лесная пром-ть. -1987.-224с.

24. Голубев Л.Г. Древесиноведение. -Казань: Изд-во КГТУ, -2000. 64с.

25. ГОСТ 11022-75 Угли бурые, каменные, антрацит и сланцы горючие. Метод определения зольности. Взамен ГОСТ 11022-64; Введ. с 01.01.76. -М.: Издательство стандартов, 1975. - 6с.

26. ГОСТ 147-74 (СТ СЭВ 1463-78) Топливо твердое. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания. -Введ. с 01.01.75. М.: Издательство стандартов, 1985. - 20 с.

27. ГОСТ 2408.1-88 (СТ СЭВ 6040-87) Топливо твердое. Методы определения углерода и водорода. Взамен ГОСТ 6389-81, ГОСТ 2408.175; Введ. с 01.07.89. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 22 с.

28. ГОСТ 6382-80 (СТ СЭВ 2033-79) Угли бурые, каменные, антрацит и сланцы горючие. Метод определения выхода летучих веществ. Взамен ГОСТ 6382-75; Введ. с 01.01.83. - М.: Издательство стандартов, 1987.- 6 с.

29. ГОСТ 8606-72 (СТ СЭВ 1462-78, СТ СЭВ 2230-80) Топливо твердое. Метод определения серы. Взамен ГОСТ 8606-68; Введ. с 01.07.73. -М.: Издательство стандартов, 1983. - 9 с.

30. Грачев А.Н, Башкиров В.Н., Сафин Р.Г. К расчету состава дымовых газов при сжигании древесных отходов. // Аннотации сообщений научной сессии КГТУ.- Казань: 2003. -С.116.

31. Грачев А.Н, Башкиров В.Н., Сафин Р.Г. Очистка дымовых газов при сжигании древесных отходов // Аннотации сообщений научной сессии КГТУ. -Казань: -2003. С.117.

32. Грачев А.Н., Башкиров В.Н., Сафин Р.Г. Использование методов приближения при моделировании процесса термической переработки древесных отходов // Химия и химическая технология. -2004. -Т. 47.10, -С. 137-140.

33. Грачев А.Н., Сафин Р.Г., Башкиров В.Н. Термическое обезвреживание твердых промышленных отходов// Математические методы в технике и технологиях.- ММТТ-15. -Тамбов: Тамбовский гос. техн. ун-т, -Т.4.-2002.-С.85-86.

34. Грачев А.Н.,Сафин Р.Г., Башкиров В.Н. Использование отходов деревообрабатывающих предприятий в качестве дополнительного источника тепловой энергии // Всероссийская научно-практическая конференция «Химико -лесной комплекс- проблемы и решения».

35. Красноярск: -2002. -Т. И. -С. 286-288.

36. Григорьев JI.H. МТС Емеля. //Деревообрабатывающая промышленность. -2000. -№4, -С. 32-33.

37. Джирис, Р, Винтербак Ю., Энгберг Ю., Охман М. Изменения свойств древесины и их влияние на качество гранул. КТНВ, Studsvikbibliote-ket. 2002. ТВ 2-12.

38. Доброхотов В.И. К проблеме воздействия энергетики на окружающую среду // Теплоэнергетика. 1995. - № 2. - С. 2-5.

39. Дрейпер П., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1973, 392 с. 96. W. Francis. Fuels and Fuel Technology. OxfordLondon, 1965.-120 c.

40. Дыбок В.В. Получение синтетических моторных топлив при утилизации древесных отходов. //Лесная промышленность. 1999. №1, с 1820.

41. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Изд. 3-е. В 2-х кн.: Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 2002.-368 с.

42. Житков А.В. Утилизация древесной коры. М.: Лесн. пром-ть, 1985.-136с.

43. Защита окружающей среды от техногенных воздействий: Учебное пособие. Под общ. ред. Невской Г.Ф.М: Изд-во МГОУ, 1993, 218 с.

44. Зельдович Я.Б., Барнеблатт Г.И., Либрович В.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва. -М.: Наука, -1980. -560 с.52