Совершенствование техники и технологии процесса газификации высоковлажных отходов. Монография

Представлены результаты исследования процесса газификации древесных отходов: приведена классификация древесных отходов как источника топлива, рассмотрена кинетика процесса прямоточной газификации древесины, представлено аппаратурное оформление процесса газификации древесных отходов.

Общий запас древесины в Российской Федерации в 2010 году составлял свыше 83 млрд м3. По прогнозу он увеличится на 2,4-5% за счет увеличения общей площади лесов, потепления климата, атмосферных выпадений азота и низкого уровня использования расчетной лесосеки. Средний годичный прирост (NAI) увеличится с 1016 млн м3 на 7,7-10,4%.

Площадь лесов, где законодательно допускается промышленная заготовка древесины (FAWS), имеет тенденцию к сокращению: с 677 млн га (в 2010 году) до 654-665 млн га (в 2030 году), или на 3,4-1,2%. Доля этих площадей в общей площади лесов сократится с 84 до 79-80% вследствие создания новых охраняемых территорий. В то же время развитие энергетики позволяет снизить затраты на древесное сырье за счет эффективного использования дровяной древесины и древесных отходов.

Развитие энергетики на древесном топливе открывает большие возможности для дальнейшего развития основных технологий в ЛПК. В последнее время тарифы на энергоресурсы растут опережающими темпами и вскоре достигнут мирового уровня. Тепловые электростанции на древесном топливе стали экономически эффективными, так как тарифы на такую тепловую энергию в 2-3 раза дешевле действующих тарифов. Перевод предприятий ЛПК на собственные источники тепловой и электрической энергии – мощный

Для получения энергии можно использовать любые древесные отходы. От того, в каком виде будет использоваться биотопливо, зависит эффективность его горения и стоимость энергии, которая вырабатывается с его помощью. Наиболее существенным недостатком древесных отходов как топлива является их нестабильное влагосодержание, которое в зависимости от вида колеблется в пределах 12–80%.

Проблема эффективной термической переработки отходов лесозаготовки и деревообработки в генераторный газ заключается в острой необходимости разработки оптимальной техники и технологии газификации древесины. Для решения данной задачи необходима разработка научно обоснованных технологических выводов и заключений, позволяющих внедрить данный опыт в работу ЛПК.

Отходы – это та часть сырья, которая отделяется в процессе обработки как не соответствующая техническим условиям на изготовляемую заготовку, деталь или изделие. В некоторых случаях отходы могут быть использованы в качестве основного сырья при изготовлении продукции другого вида или размера. Таким образом,

  - все виды топлива, для которого дерево или части дерева являются исходным материалом, не требующим никакой химической обработки, например дрова, щепа, опилки, стружка, кора.

  - это бывшие в употреблении пиломатериалы; сырье идет из строительной и упаковочной промышленности, от разборки деревянных конструкций и изделий.

Иногда выделяют в отдельную группу зелень и кору хвойных пород древесины. В них содержится очень много экстрактивных веществ, которые могут быть выделены и использованы в медицинской, пищевой и других отраслях промышленности, при этом они не являются дефицитным материалом, использующимся в каком­либо серьезном производстве. Однако у коры и зелени есть и существенные недостатки. Кора обладает более низкой теплотой сгорания и большей зольностью, чем другие виды древесных отходов [98]. Также у коры и зелени всегда большая влажность, поскольку их никогда не сушат. Эти две проблемы влекут за собой третью: увеличение инвестиций и снижение эффективности при их энергетическом использовании.

Опилки и древесная щепа могут рассматриваться как биотопливо, прошедшее меньшую степень переработки. Содержание влажности в них может быть достаточно большим, до 70%, что позволяет считать их «влажным» топливом. Однако опилки и щепа могут быть достаточно сухими, если их получают в процессе производства мебели или сухих пиломатериалов.

Проблема эффективного использования всех элементов биомассы дерева заключается в острой необходимости создания экологически чистых многопрофильных производственных комплексов, позволяющих перерабатывать основные вторичные лесные ресурсы с получением ценных химических продуктов. Многие ученые и научные институты рассматривают вопросы, связанные с проблемами лесохимического и биоэнерготехнологического использования биомассы дерева [24]. Например, В.А. Левданским, Н.И. Полежаевым, А.И. Макиевской, Б.Н. Кузнецовым [46] предложен процесс безотходной переработки пихтовой коры.

В любом деревообрабатывающем, лесопильном или химическом производстве обработка древесины происходит по этапам, в процессе которых конечному изделию из древесины придают определенные свойства, которые должны отвечать определенным требованиям рынка. Только при выполнении этих требований можно гарантировать устойчивость изделия в процессе его эксплуатации, механическую стойкость, неизменность линейных размеров в среде, где часто возникают изменения влажности и температуры. Поэтому существуют четыре основных метода переработки древесины.

Ниже представлен перечень производств, на которых применяется механическая переработка древесины:

-  во - предприятия по производству мебели и мебельных деталей;

2)  , основанная на реакции расщепления полисахаридов древесины до моносахаридов. Моносахариды могут выпускаться как товарный продукт, например как глюкоза и ксилоза, но чаще растворы моносахаридов подвергаются биохимической переработке на этиловый спирт и дрожжи или химической переработке на фурфурол и ксилит.

   – это переработка древесины при определенной температуре и определенном количестве вводимого кислорода в камеру термической переработки. Термохимические методы делятся на три основных направления:

Также для получения газа и жидкого топлива применяется биоконверсия углеродсодержащих отходов и каталитический реформинг [31]. Наглядно данная классификация термохимической переработки биомассы представлена на рис. 1.2.

Повышение эффективности использования древесных отходов возможно на основе разработки и внедрения новых технологий по сравнению с традиционными способами сжигания твердых топлив.

Газификация – это высокотемпературный процесс взаимодействия топлива с окислителями, проводимый с целью получения горючих газов (Н2, СО, СН4). Газификация основана на частичном сжигании топлива при недостатке кислорода. Коэффициент избытка воздуха при сжигании топлива α = 1,02 – 1,2, а при газификации топлива α ≈ 0,5. При газификации топлива стремятся получить горючий газ с максимальным превращением тепла исходного топлива в химически потенциальное тепло образующегося газа. В качестве газифицирующих агентов используют кислород, воздух, водяной пар, диоксид углерода либо смеси указанных веществ. В зависимости от соотношения исходных реагентов, температуры, давления, продолжительности реакции и других факторов можно получить газовые смеси разного состава [15, 53].

Генераторный газ обычно различают по способу его получения на воздушный, паровоздушный (смешанный), водяной и т.д.