Макаров, Александр Александрович. Термическое разложение древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза

Краткое описание

Макаров, Александр Александрович. Термическое разложение древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза : диссертация ... кандидата технических наук : 05.21.05, 05.21.03 / Макаров Александр Александрович; [Место защиты: Казан. нац. исслед. технол. ун-т].- Казань, 2011.- 144 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/3431

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический
университет»
Макаров Александр Александрович
ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
В РЕЖИМЕ БЫСТРОГО АБЛЯЦИОННОГО ПИРОЛИЗА
05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование
деревопереработки
05.21.03 — Технология и оборудование химической переработки биомассы
дерева; химия древесины
Научные доктор технических наук,
руководители: профессор
Сафин Рушан Гареевич;
кандидат технических наук, доцент
Грачев Андрей Николаевич
Казань — 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Название
Введение
Обзор литературы, .
Современное состояние техники и технологии термохимической переработки древесины . .
Классификация'технологий термического разложения , . древесины _ .
Научные основы термического разложения древесины в режиме абляции . .
Вывод
Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме
Физическая картина процесса термического разложения древесины в режиме механической абляции Формализация процесса термического разложения древесины в режиме механической абляции
Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме
Алгоритм расчета математической модели термического разложения древесины в режиме абляции Вывод . .
Экспериментальное исследование и математическое Моделирование термического разложения древесины в режиме механической абляции, .
Экспериментальное оборудование для исследования термического разложения древесины в режиме механической абляции •
Методика проведения эксперимента по изучению процесса термического разложения древесины в режиме механической абляции ; •
Исследование кинетики быстрого абляционного пиролиза древесины •
Анализ результатов математического моделирования .
Исследование коэффициента трения-скольжения при • абляционном пиролизе древесины,
Вывод
Промышленная реализация результатов исследований ' термического разложения в режиме абляции?
Описание установки длялермического разложения древесины. в режиме механической абляции
Инженерная методика расчета реактора для термического разложения древесины в режиме механической абляции
з
Опытно-промышленная установка для переработки древесных ^
отходов методом термического разложения в режиме абляции Испытания реактора абляционного пиролиза в составе опытно-промышленной установки для переработки древесных 97
отходов
Технико-экономический анализ технологии термического разложения древесины в режиме абляции
Вывод 107
Основные результаты и выводы 108
Список использованной литературы 110
Обозначения 121
Приложение 1. Акт внедрения установки для термохимической переработки органосодержащего сырья Приложение 2. Исходный текст программы расчета 125
Приложение 3. Статистическая обработка расчетных и экспериментальных данных
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
В связи с промышленным развитием многих стран увеличивается их потребность в альтернативных возобновляемых источниках энергии, одним из которых является древесная биомасса. Однако, существенным недостатком биомассы в качестве источника энергии является низкая энергетическая плотность, что увеличивает затраты на её сбор, транспортировку и хранение, тем самым снижая эффективность её использования в существующей инфраструктуре. Значительно повысить технологичность и эффективность использования биомассы позволяет технология быстрого пиролиза, которая обеспечивает переработку древесной биомассы с высоким выходом жидких продуктов. Проведенный анализ существующих технологических схем процесса быстрого пиролиза показал, что основное их различие заключается в типе реактора. При децентрализованной переработке древесной биомассы и лесосечных отходов наиболее эффективную переработку позволяют обеспечить абляционные реакторы. Они обладают высокой удельной производительностью, менее требовательны к подготовке исходного сырья. Однако технология термического разложения в режиме быстрого абляционного пиролиза находится на опытном уровне и поэтому исследования, направленные на разработку абляционного реактора быстрого пиролиза являются актуальными.
(
Работа выполнена при поддержке: гранта Президента РФ № МК- 2950.2007.3, гранта Всемирного банка в рамках конкурса «Инновации для устойчивого развития РТ» и гранта по программе Старт 1 № 09-4-Н4.4- 0133.

Цель работы состоит в исследовании термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза и разработке автономной технологии переработки древесины с получением преимущественно жидких продуктов пиролиза. В связи с этим в представленной работе были поставлены следующие задачи:
> Идентифицировать физическую картину процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза
> Разработать математическую модель термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза
> Разработать алгоритм расчёта математической модели термического, разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза
> Разработать экспериментальный стенд и провести исследования
термического разложения древесины в режиме быстрого
абляционного пиролиза в зависимости от режимных параметров
> Разработать и изготовить промышленный образец, а также определить рациональные режимы ведения процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза при переработке древесины в жидкие продукты
Научная новизна
В ходе проделанной работы:
> Разработана математическая модель термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза, учитывающая режимные параметры процесса и толщину слоя промежуточного продукта;
> Впервые экспериментально определен коэффициент трения скольжения (0,08 — 0,2) при термическом разложении древесины в режиме механической абляции;
> Экспериментально определено; влияние скорости ' смещения, температуры поверхности и давления на образец на скорость термического разложения древесины , в режиме: быстрого абляционного пиролиза; . . . - ,
' > Расчётно-экспериментальным- методом? определена? . оптимальная? скорость,: смещения образца древесины относительно поверхности нагрева (1,32 м/с) . при которой обеспечиваются минимальные удельные энергетические затраты на процесс, термического разложения м режиме быстрого абляционного пиролиза: -
Практическая ценность. Результаты исследования термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного- пиролиза и математическое описание данного процесса позволяют определить скорость термического разложения в зависимости от режимных параметров процесса. В ходе проделанной работы был; разработан экспериментальный? стенд для определения характеристик процесса термического разложения;древесины?, в режиме быстрого? абляционного пиролиза и методика проведения на нем экспериментов, а также разработана схема промышленной? установки* для; термического . разложения древесины в режиме быстрого;; абляционного' пиролиза. Разработана конструкция реактора? абляционного? пиролиза" и методика? его расчета?, которые могут быть использованы? при? проектировании1 производственных комплексов термической; переработки древесины., ^
Реализация работы.
Результаты проведенных в работе исследований?, реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета; конструкторской? документации и инструкций по эксплуатации абляционного реактора, для установки быстрого пиролиза. По результатам исследований разработана схема' производственного комплекса по переработке древесины методом термического разложения. Разработана и внедрена в производство в Матюшинском производственном участке №2 ГБУ РТ «Пригородное лесничество» опытно-промышленная установка для термохимической переработки низкокачественной древесины, включающая разработанный реактор абляционного пиролиза.
АВТОР защищает:
> Математическую модель термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза
> Конструкцию экспериментального стенда для исследования процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза и методику проведения на нем экспериментов
> Результаты математического моделирования и проведенных экспериментов на стенде для исследования процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза
> Схему промышленной установки для термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной Научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития лесного комплекса", г. Вологда 2008; II Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Интенсификация тепло¬массообменных процессов, промышленная безопасность и экология", Казань 2008; Международном симпозиуме "Энергоресурсоэфективность и энергосбере-жение", г. Казань 2009; Международной молодежной научной конференции "Тинчуринские чтения", г.Казань 2009; Международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях" - ММТТ-22, Псков 2009; Международной научно-практической конференции "Биоэнергетика и биотехнологии - эффективное использование
отходов лесозаготовок и деревообработки", г. Москва 2009; IV Всероссийской научно-практической конференции "Энергетика в
современном мире", г. Чита 2009.
Личное участие автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены экспериментальные стенды для исследования процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза; выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи
опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.
Публикации
По результатам выполненных исследований автором опубликовано 15 печатных работ, из которых 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент РФ.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 144 страницах машинописного текста и включает в себя 63 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 108 источников.

Список литературы

Основные результаты и выводы:
1. Проведен анализ современного состояния научных основ термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза и сформулированы основные допущения процесса термического разложения древесины в абляционном режиме;
2. Разработана математическая модель термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза;
3. Разработаны алгоритм расчета и моделирующая программа математической модели термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза;
j
4. Разработан экспериментальный стенд, методика проведения экспериментов и проведены исследования влияния скорости смещения поверхности абляции, температуры поверхности абляции и давления на образец при термическом разложении древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза;
5. В ходе математического моделирования установлено, что при толщине промежуточного жидкого слоя (интермедиата) менее 100 мкм реагированием в слое можно пренебречь и выход жидких продуктов максимален и составляет 19%;
6. В ходе математического моделирования определена табличная зависимость толщины слоя интермедиата в зависимости от давления, температуры и скорости смещения образца;
7. Проведены исследования коэффициента трения скольжения при термическом разложении древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза. Результаты исследований показали, что коэффициент трения скольжения при абляционном пиролизе древесины, в зависимости от скорости смещения поверхности абляции, температуры поверхности абляции и давления на образец, колеблется в диапазоне 0,08 — 0,2;
8. По результатам исследований разработан реактор
абляционного пиролиза для термической переработки древесины.