Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Модификация битумных вяжущих жидкими продуктами быстрого абляционного пиролиза древесины. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 102 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

незначительном времени пребывания продуктов в реакционном пространстве (до 2-3 с). В результате образуются углистый остаток и парогазовая смесь, которая впоследствии разделяется на жидкие продукты и неконденсируемый газ. Быстрый пиролиз позволяет достичь максимального выхода жидких продуктов (до 80 % от массы сухого сырья). Быстрый пиролиз может осуществляться с помощью различных реакторов.

К области термического разложения древесины относится также и её газификация, т.е. безостаточное (если не считать золы) разложение древесины в газогенераторах. Различают два основных процесса газификации – прямой и обратный. Основным применением газификации является получение синтез-газа.

Таким образом, для получения жидких продуктов, в том числе смол и олигомеров для дорожного строительства, представляет интерес переработка древесины быстрым пиролизом, за счет возможности получения максимального выхода жидких продуктов.

1.1.2 Аппаратурное оформление технологии быстрого пиролиза древесины

Общая схема пиролизных установок состоит из узла подготовки сырья, реактора и системы конденсации. Существенное различие, как правило, заключено в реакторах пиролиза. Реакторы различают: кипящего слоя, циркулирующего кипящего слоя, с вращающимся конусом, винтовой, двухшнековый, высокочастотный, ультраоксипиролиза, абляционный.

При пиролизе в реакторе кипящего слоя биомасса вводится в реактор вместе с сыпучим твёрдым материалом, нагретым до заданной температуры [20]. В качестве такого материала используются шамотные, алюмосиликатные гранулы, песок или раскалённый древесный уголь. Удельная производительность реактора в данном процессе по сырью может достигать 500 кг/м3ч. При этом нагрев теплоносителя чаще всего осуществляется за счёт полного или частичного сжигания древесного угля или газов пиролиза. В

зависимости от скорости «продувки», частицы взвешенного инертного

Рис. 1.2. Принципиальная схема быстрого пиролиза в реакторе

кипящего слоя

материала остаются в слое или же выносятся из него вместе с продуктами пиролиза и собираются с помощью циклонов, после чего могут возвращаться в кипящий слой (реактор с циркулирующим кипящим слоем). При этом происходит интенсивная передача тепла от нагретого песка частицам сырья. Данный тип реакторов легко масштабируется [21].

Компании Ensyn и Dynamotive [22] достигли наибольшего успеха в области быстрого пиролиза в кипящем слое и циркулирующем кипящем слое. Технология Ensyn имеет производительность 150 т в день по сухому сырью (рис.1.2 [23, 24]).

Основа системы – реактор циркулирующего кипящего слоя, в котором контактируют рециркулируемый песок и биомасса в восходящем потоке реактора. Перед подачей сырьё должно быть высушено до влажности не более 10 % и измельчено до 1 мм. Продукты пиролиза проходят два циклона для удаления твёрдых частиц, затем пары быстро охлаждаются в многостадийной системе конденсации. Характеристики жидких продуктов пиролиза древесины могут варьироваться в зависимости от сырья, исполнения реактора и параметров процесса. Пиролизная жидкость при данном методе

однофазная и не смешивается с тяжёлыми смолами, которые получаются при традиционном пиролизе [24, 25].

Модульная установка Dynamotive производительностью 100 т в день по сухому сырью производит 75 т жидких продуктов пиролиза древесины и также основана на использовании реактора кипящего слоя. Сырьё, предварительно высушенное до влажности не более 10 % и размером частиц 1-2 мм, подаётся в реактор кипящего слоя, который нагрет до 450-500 °С. Исходное сырье пиролизуется, и парогазовая смесь подаётся в циклон, где отделяются твёрдые частицы. После этого парогазовая смесь попадает в конденсационную колонну, где жидкость конденсируется и скапливается в резервуаре. В результате процесса получается около 75 % жидких продуктов, 15-20 % угля и 1020 % неконденсируемых газов [26, 27].

Однако данные технологии имеют существенные недостатки: для реализации экономически эффективной переработки необходимы большие объёмы перерабатываемого сырья (от 150 т/сут., а по некоторым оценкам до 400 т/сут.). Следовательно, необходима транспортировка большого количества сырья, что существенно влияет на экономическую составляющую данных технологий. Кроме того, необходимость рециркуляции парогазовой среды и значительная доля неконденсирующихся газов в продуктах пиролиза снижают эффективность конденсации паров, что приводит к увеличению капитальных затрат и стоимости.

Исследованиями технологии быстрого пиролиза в реакторе с вращающимся конусом занимаются более 20 лет в Нидерландах, в университете Твенте, результатом работы исследователей стал патент. Компания BTG (Biomass Technology Group) данный патент. На его основе были построены реакторы производительностью 50 и 200 кг/ч. Предложенный реактор позволяет при малых энергозатратах на осуществление процесса обеспечить высокую пропускную способность и высокий выход парогазовой фракции [16]. При этом, как отмечают изобретатели, он технологичен, прост, может быть изготовлен на не имеющих специального оборудования предприятиях. Компания BTG в Малайзии построила завод производительностью 50

т/сут. на основе реактора с вращающимся конусом, однако рынок оказался не готов принять жидкие продукты быстрого пиролиза. В мае 2015 года был запущен завод EMPYRO в Хенгало (Нидерланды) производительностью 120 т/сут.

Также для реализации процесса быстрого пиролиза был разработан винтовой реактор. Принцип работы заключается в том, что винтовой шнек перемещает нагретый до температуры пиролиза песок, с которым смешивают частицы биомассы. Такой вид передвижения ускоряет процесс и повышает передачу тепла сырью.

Смесевой реактор LR (Lurgi-Ruhrgas) является первым единственным реактором быстрого пиролиза, который применялся в промышленном масштабе, но для других целей. Он был разработан фирмой Лурги, Франкфурт, в 1950-х годах и применялся с тех пор в различных индустриях [28]. Сначала он использовался для получения коксового газа из угля («Flash-Coker»). В последствии реакторы LR применялись как крекинг-установки («Sand-Cracker») для получения олефина из нефти.

Впервые для быстрого пиролиза биомассы, а именно сечки соломы, реактор был модифицирован и испытан в Германии технологическим институтом г. Карлсруэ (KIT). В предварительных испытаниях были установлены расчётные параметры реактора и процесса. Кроме того, была построена постоянно работающая испытательная установка смесевого реактора со спаренным шнеком с максимальной пропускной способностью в 20 кг/ч (рис.1.3.) [29].

Высокочастотный нагрев является скоростным безынерционным способом равномерного нагрева древесины по всему объёму до начала процесса экзотермического разложения [30]. Скорость нагрева не зависит от теплопроводности и размера материала, а определяется величиной подводимой удельной мощности. Высокочастотный нагрев носит молекулярный характер и зависит от физико-электрических свойств нагреваемого материала и температуры [31]. При производительности 0,64 кг/ч по сырью выход продуктов составляет: уголь – 9,43 % от исходного сырья; конденсат – 57,1%; газ – 23,47%

[32]. По сравнению с обычным пиролизом (с внешним нагревом)

существенных различий в выходе продуктов нет. Данный способ из-за высоких затрат на нагрев получил распространение лишь в лабораторной практике.

Рис. 1.3. Принципиальная схема пиролиза в двухшнековом

аппарате

Исследованиями процесса ультраоксипиролиза занимается профессор В. Н. Пиялкин в Санкт-Петербургской лесотехнической академии [33]. Достоинством разработанной схемы технологического процесса ультраоксипиролиза в формованном слое автор отмечает высокую удельную производительность реактора 9 т/м3/ч. Данный высокий показатель обеспечивается за счёт создания условий для интенсивного тепломассообмена в формованном слое. В основу интенсификации пиролиза заложен принцип противотока формованного слоя и газового теплоносителя (топочные газы) с температурой до 1000 °С. Положительные особенности данного вида пиролиза:

- малые габариты и малая массоёмкость за счёт увеличения

коэффициента заполнения реторты;

- позволяет получить товарный продукт однородного качества за

счёт того, что скорость продвижения сырья строго постоянна по сечению и длине реактора;

- позволяет улучшить степень полезного использования тепла за

счёт плотного слоя, который препятствует механическому уносу частиц, и тем самым резко увеличивается удельная производительность аппарата;

- скорость теплоносителя повышается за счёт плотного слоя.

Однако в реактор подаётся небольшое количество окислителя, что может привести к снижению выхода жидких продуктов и повышению выхода газов и продуктов горения.

В случае абляционного быстрого пиролиза происходит снижение термического и диффузионного сопротивлений, которые достигаются за счёт уноса из зоны реакции прореагировавшего продукта. В процессе термического разложения абляция может достигаться газодинамическим, механическим и радиационным методами [34]. При радиационном методе абляции пиролиз происходит за счёт излучения от нагретой поверхности. Однако это довольно затратный метод из-за подвода большого количества тепла. Газодинамический абляционный пиролиз осуществляется при высоких температурах обдувкой пиролизуемых частиц нагретым газом. Данный метод делает процесс небезопасным и требует дополнительных вложений на покупку необходимого оборудования. При механической активации процесса движущаяся нагретая поверхность является поверхностью абляции. Принцип действия заключается в том, что пиролизуемые частицы контактируют с движущейся нагретой поверхностью. В результате этого происходит унос прореагировавшей поверхности частицы и постоянное обновление поверхности абляции.[35].

Компания Pytec (Германия) разрабатывает технологию быстрого абляционного пиролиза для получения жидких продуктов пиролиза. Брикеты перерабатываемых отходов подаются при помощи пневмоцилиндра (с необходимым давлением) на нагретый до 500 °С вращающийся диск (рис. 1.4). В результате переработки сухой древесины получается жидких продуктов до 75 %, газа и угля до 15 %. При этом время пребывания продуктов пиролиза в зоне реакции составляет около 1 с.

Рис. 1.4. Схема и общий вид установки механического

абляционного реактора компании PYTEC (Германия)

Также исследованием быстрого абляционного пиролиза на аналогичной установке занимаются в Казанском национальном исследовательском технологическом университете на кафедре «Химическая технология древесины» и университете Fraunghofer

UMSICHT [36, 37].

В университете Aston разработан и запатентован абляционный реактор с вращающимися лезвиями. В лабораторной установке университета Aston абляция достигается с помощью четырёх вращающихся (скорость до 200 об./мин.) асимметрично расположенных лопаток. Данный механизм абляции эффективен для относительно крупных частиц. К достоинствам данного метода относятся использование сырья относительно больших размеров (около 20 мм), высокий выход жидких продуктов, компактность технологии, незначительная потребность в инертном газе [38, 39].

Основным недостатком абляционного пиролиза является то, что масштабирование технологии происходит путём соответствующего увеличения поверхности абляции, что вызывает технические трудности. Кроме того высокие коэффициенты теплопередачи нагретой поверхности к пиролизуемому материалу требует специальной техники подвода тепла.

1.2 Направления использования жидких продуктов пиролиза

Показатель

Величина

Плотность при 20 °С, кг/м

1100-1300

Низшая теплота сгорания, МДж/кг, не менее

Кинематическая вязкость при 40 °С, мм2/с, не более

125

Зольность, %, не более

0,25

Температура вспышки в закрытом тигле, °С, не менее

Температура потери текучести, °С, не более

-9

Массовая доля воды, %, не более

2-3,7

древесины

Жидкие продукты быстрого пиролиза представляют собой маслянистую непрозрачную тёмно-коричневую или чёрную жидкость с характерным запахом дыма. Физические свойства жидких продуктов быстрого пиролиза древесины регламентируются стандартом ASTM D 7544-10 и представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Физические свойства жидких продуктов быстрого пиролиза [40, 41]

Существуют разные термины для обозначения жидких продуктов пиролиза древесины, полученных из различных видов сырья и при различных условиях. Приняты следующие обозначения:

- древесная смола – сложная смесь органических соединений (с молекулярной массой 60-8000 а.е.м.), образующаяся при пиролизе древесины (хвойные, лиственные, смешанные, а также из коры);

- жидкие продукты пиролиза древесины – получаемые в результате пиролиза древесины, которые образуются при конденсации парогазовой смеси;

- дёготь – получают в результате пиролиза древесной коры, представляет собой преимущественно экстрактивные вещества, которые растворимы в алифатических неполярных углеводородах;

- жижка – получают в результате медленного пиролиза древесины, в ней 70 % составляют неограниченно водорастворимые

соединения, жижка получается при отстаивании в отстойниках и содержит в себе кислоты, лактоны, ангидросахара, фенолы и т.п.;

- водорастворимая смола – упаренная до влагосодержания 5-20 % жижку, аналогична по составу водному экстракту из суммарной смолы;

- водонерастворимая смола, отстойная смола – выделяется в виде рафината при расслаивании жидких продуктов пиролиза древесины в результате водной экстракции водорастворимых соединений. Нестабильность фаз наступает при абсолютном содержании воды в системе свыше 30 % [42].

- суммарная древесная смола – смесь водорастворимой и водонерастворимой смол.

- пиролитический лигнин – мономеры и олигомеры лигнина, которые образовались при пиролизе древесины.

В большей части отстойная смола представлена пиролитическим

лигнином за исключением вторичных высокомолекулярных продуктов, образующихся при медленном пиролизе.

- пиролизное масло, бионефть, пиротопливо и т.п. – жидкие продукты пиролиза древесины, полученные в условиях быстрого пиролиза (преимущественно первичные продукты термического разложения) и представляющие собой однородную жидкость с влажностью менее 25 % и низкой молекулярной массой олигомерных компонентов до 1000 а.е.м.

В данной монографии для обозначения жидких продуктов

пиролиза принят термин «жидкие продукты быстрого пиролиза», а для водонерастворимых продуктов – «пиролитический лигнин».

Направления применения жидких продуктов пиролиза древесины: энергетическое использование, в качестве химического сырья, получение топлив, гидрирование, гидродеоксигенация и гидрокрекинг компонентов с получением моторных топлив, каталитический крекинг и др [43 - 46].

1.2.1 Энергетическое использование жидких продуктов

пиролиза древесины

Использование жидких продуктов пиролиза древесины как заменителя котельного топлива считается одним из наиболее перспективных и простых способов их использования [47]. Во многом это связано с возможностью вовлечения и использования возобновляемых ресурсов. Работы в этой области ведутся в двух направлениях. С одной стороны, системы сжигания адаптируются к жидким продуктам пиролиза древесины, что позволяет избежать дорогостоящей процедуры повышения качества топлива. С другой стороны, совершенствуют саму технологию получения более качественного жидкого продукта [47].

В работе [47] был проведён детальный анализ энергетического использования жидких продуктов пиролиза древесины, который показал, что они могут использоваться для замены тяжёлого котельного топлива. Исследования, проведённые по энергетическому использованию пиролизной жидкости на двигателях внутреннего сгорания, котлах различной мощности и газовых турбинах, показали, что на существующем оборудовании с модификацией топливной системы жидкие продукты пиролиза древесины могут эффективно сжигаться. Исследования выявили ряд недостатков, в основном возникающих из-за низких топливных свойств жидкости. Существенной трудностью для коммерциализации жидких продуктов пиролиза древесины является изменчивость их качества (вязкость, разделение фаз, содержание твёрдых частиц, кислотность).

Для коммерциализации и обширного применения жидкие продукты пиролиза древесины должны иметь постоянные свойства и приемлемую цену. С помощью несложных модификаций существующего оборудования можно решить проблемы улучшения характеристик и оптимизации конструкции горелки или котла.

В работе [48] предоставлено исследование процесса энергетического использования древесины с применением технологии быстрого пиролиза. Технологии быстрого пиролиза позволяют

<<< < Предыдущая 12 / 102 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]