Способы получения горючих твердых ВЭР

Топливные пеллеты — биотопливо, получаемое из древесных отходов и отходов сельского хозяйства. Производится в виде прессованных гранул стандартного размера.

Сырьём для производства пеллет могут быть древесные отходы: кора, опилки, щепа и другие отходы лесозаготовки, а также отходы сельского хозяйства: отходы кукурузы, солома, отходы крупяного производства, лузга подсолнечника и т.д.

Метод получения

Процесс производства древесных гранул классически строится по следующей схеме:

Схема получения древесных гранул

1. Крупное дробление

2. Сушка

3. Мелкое дробление

4. Смешение, водоподготовка

5. Прессование

6. Охлаждение, сушка

7. Расфасовка

Крупные дробилки измельчают сырье для дальнейшей просушки. Измельчение должно дойти до размеров частиц не более 25x25x2 мм.

Сырье подается в систему сушки с помощью скребкового устройства. Сушилки бывают барабанного и ленточного типа. Выбор типа сушилки

определяется видом сырья (щепа, опилки), требованиями к качеству продукции и источником получаемой тепловой энергии.

В пресс сырье должно заходить с размерами частиц менее 4 мм. Поэтому дробилка измельчает сырье до необходимых размеров. Молотковые мельницы - наиболее подходящие устройства для измельчения волокнистой стружки, опилок или щепы.

Сырье с влажностью менее 8% плохо поддается склеиванию во время прессования. Поэтому слишком сухое сырье также плохо. Для этого нужна установка дозирования воды в смесительной емкости. Лучший вариант - это шнековые смесители, в которых встроены входы для подачи воды или пара. Добавление горячего пара требуется, если прессуются твердые сорта древесины (дуб, бук), или сырье залежалое, некачественное. Для мягких сортов древесины хвойных пород достаточно добавления воды в смесителе.

Прессование производиться на прессах различных конструкций, с плоской или цилиндрической матрицей.

Охлаждение обеспечивает получение качественного конечного продукта. Оно нужно для осушения гранул, нагретых после прессования до 70°...90° С. Затем пеллеты можно просеивать и упаковывать.

Топливные брикеты

Процесс брикетирования - это процесс сжатия материала под высоким давлением, с выделением температуры от силы трения. За счет данного воздействия в древесине происходит выделение лигнина, который является связующим веществом для формирования брикета.

Метод получения

Схема получения топливных брикетов

1- бункер экструдера

2- цилиндрический шнек

3- конусный шнек

4- 4

5- 4

В основе технологии производства топливных брикетов лежит принцип шнекового прессования, который можно разделить на несколько этапов:

1. Подача сырья в бункер экструдера.

2. Транспортировка сырья в зону предварительного прессования цилиндрическим шнеком.

3. Формирование брикета за счет уменьшения объема камеры прессования и повышенного трения материала об поверхность конусного шнека.

4. Спекание лигнина в поверхностном слое сформированного брикета за счет внешнего нагрева.

5. Выход готового брикета с последующей резкой и утилизацией дыма.

Древесный уголь

Пиролиз древесины основан на способности сложного комплекса органических веществ древесины разлагаться на более простые без доступа воздуха, при воздействии высокой температуры. В процессе пиролиза древесины получают жидкие, газообразные и твердые продукты. Процесс пиролиза древесины осуществляется в специальных аппаратах (ретортах). Твердым продуктом процесса пиролиза древесины является древесный уголь, остающийся в реторте в виде твердого остатка после завершения пиролиза древесины. Газообразные и жидкие продукты выделяются одновременно в виде сложной парогазовой смеси, которая при последующем охлаждении разделяется на жидкий конденсат (жижку) и неконденсируемые газы.

Метод получения

Схема получения древесного угля

1 – топка;

2 – реторта;

3 – шиберное устройство;

4 – вибротранспортер.

Процесс пиролиза древесины разделяют на 4 стадии:

1. Первая стадия пиролиза древесины — это сушка древесины до температуры 130-155°С за счет подвода тепла из вне, данный процесс сопровождается удалением из древесины воды и изменением ряда компонентов древесины, что существенно сказывается на последующем процессе пиролиза;

2. Вторая стадия пиролиза древесины — это начало разложения древесины которое происходит при температуре 155-280°С и сопровождается распадом менее стойких ее составных частей; на этой стадии, идущей с подводом тепла, образуются углекислый газ, окись углерода, уксусная кислота и ряд других веществ;

3. Третья стадия пиролиза древесины — это испарение и образование основного количества продуктов разложения древесины происходит при температуре 280-455 °С, сопровождается бурным выделением тепла (экзотермический процесс); при этом выделяются большие количества С02, СО, СН4, эфиров, карбонильных соединений, углеводородов, уксусной кислоты, ее гомологов и метанола, а под конец начинается удаление смолы;

4. Четвертая стадия пиролиза древесины — это прокаливание древесного остатка; данный процесс протекает при температуре 455-560 °С за счет дополнительного подвода тепла извне; в этот период выделяется и удаляется тяжелая смола, а также С02, Н2, СО и углеводороды; на этой стадии процесс пиролиза заканчивается остаток после его завершения представляет собой древесный уголь.

Тирса — подрібнена деревина. дрібні частинки деревини, що осипаються під час різання її пилкою.Т ирса - відходи деревообробної промисловості. Застосовуються як паливо, для виготовлення пресованих промислових виробів, для підстилки тваринам (іноді - у суміші з торфом, соломою) та ін.На 70% складаються з целюлози і геміцелюлози і 27% лігніну.

Баланс хімічних речовин:

С - 50%

Н - 6%

О - 42%

N - 0,1%

W - >15%

А – 0,5-2%

Таблиця 1 - Фізико-механічні властивості тирси

Тирса деревна	Насипна густина, кг/м3	Характерні розміри частинок, мм	Коефіцієнт парусності
сухі	220-420	до 50	0,13-0,8
вологі	320-580	>>	немає даних

Для виготовлення твердого біопалива з відходів деревини розроблені промислові технології. Наприклад, для утилізації тирси, стружки, пилу та інших залишків деревообробної галузі сировину спершу підсушують до стандартного рівня вологості, а потім гранулюють. Гранульоване біопаливо з біомаси – одне з найбільш придатних до автоматизованого процесу спалювання.

Паливні гранули (гранули) (англ. pellets, рос. пелети) - біопаливо, що отримується з торфу, відходів деревообробної промисловості та сільського господарства. Являє собою циліндричні гранули стандартного розміру.

Сировиною для виробництва гранул можуть бути торф, відходи деревини, а також відходи сільського господарства: відходи кукурудзи, солома, відходи круп'яного виробництва, лушпиння соняшнику і т. д.

Баланс хімічних речовин:

С - 40-50%

Н – 6-8%

О - 38%

N - 0,1-0,3%

W – 8-12%

А – 0,3-2%

Технологія виробництва

Сировина надходить в дробарку 1, де подрібнюються до стану борошна. Отримана маса надходить у сушку 2, з неї - у прес-гранулятор 4, де борошно стискають в гранули. Потім проходить процес сушки та ололодження 5.Стиснення під час пресування підвищує температуру матеріалу, лігнін, що міститься в деревині розм'якшується і склеює частки в щільні циліндрики. На виробництво однієї тонни гранул йде 4-5 кубометрів відходів.

Метод отримання зображений на рисунку 1.

Сировина

Рисунок 1

1 – дробарка

2 – сушка

3 – змішування та водопідготовка

4 – прес-гранулятор

5 – сушка та охолодження

Гранули відрізняються від звичайної деревини високої сухістю (8-12% вологи проти 30-50% на дровах) і більшою - приблизно в півтора рази - щільністю. Низька вологість - це не тільки перевага гранул як палива, але і проблема їхнього виробництва. Сушка може виявитися однією з основних статей витрат при виробництві паливних матеріалів з відходів деревообробки.

Нафтові шлами - це в’язкий, не текучий продукт, темно-коричневого кольору, що складається головним чином з парафінів, смол, асфальтенів. Однією з головних проблем, що виникають при спробах провести утилізації нафтового шламу, є складність його видобутку з шламовідстійника. Висока в’язкість шламів не дозволяє відкачувати шлами по трубам, разом з тим видобувати його як тверду речовину не дозволяє його напівзріджений стан.

відкачування шламу

Процес утворення нафтового шламу представленний на рис.2

Рисунок 2

1 – електрозневоднювальна та електрознесолювальна установка

2 – стабілізація

3 – атмосферновакуумна перегонка

4 – крекінг

5 – очистка нафтопродуктів

6 - шламовідстійник

Необхідною передумовою утилізації таких шламів є значне зменшення їх в’язкості за допомогою певних хімічних речовин-пластифікаторів, що дозволило б відкачувати розрідженні системи за допомогою насосу. Іншим напрямком утилізації нафтових шламів є отвердження розрідженого продукту з метою отримання твердого палива або для отримання асфальто-бетоних покрить.

Склад нафтового шламу (%, мас):

· смоли та асфальтени – 4…7%;

· парафіни – 20…32,3%;

· вода та інші органічні продукти – 43-68%

· механічні домішки – 10-20%

· Густина шламу 0,912…0,937 г/см3; в’язкість шламу 16,3 Па•с.

Елементарний склад шламу:

С - 84,8 %

Н -12,2%

S -1,9%

N+O -1,1%

А – 4-7%

W – 15-35%

Гудро́н — залишок, що утворюється в результаті перегонки із нафти при атмосферному тиску і під вакуумом фракцій, які википають до 450—600 °С (залежно від природи нафти). Вихід гудрону — від 10 до 45 % від маси нафти. Гудрон — в'язка рідина або твердий асфальтоподібний продукт чорного кольору з блискучим зламом.

Процес отримання гудрону представленний на рис.3

Рисунок 3

1 – електрозневоднювальна установка

2 – електрознесолювальна установка

3 - атмосферновакуумна перегонка

Елементний склад гудрону:

С – 85-87%

Н – 9,3-11,8%

S – 0,2-6,3%

N – 0,2-0,7%

O – 0,08-1,25%

А – 0,5%

W- 6-7%

Крім того, у гудроні концентруються практично усі присутні у нафті метали; так, вміст ванадію може сягати 0,046 %, нікелю — 0,014 %.

Гумовотехнічні відходи - утворюються в промисловій сфері в процесах виготовлення гумовотехнічних виробів, товарів народного споживання, в шинній промисловості та у сфері споживання, де основний внесок належить відпрацьованим автомобільним шинам. Спалювання таких відходів використовують з метою одержання теплової енергії.

Схема процесу низькотемпературного піролізу шин представлений на рис.4

Рисунок 4

1- дробарка

2- апарат піролізу

3- ємність для зберігання рідких продуктів піролізу

4- бункер для зберігання твердих продуктів піролізу

Твердий залишок продуктів піроліза, використовується в якості палива та складає близько 40% від маси.

Показники якості твердого залишку піроліза шин(%, мас):

W – 2,2%

A – 13%

S – 13,2%

C – 4,8%

H – 82,8%

Химический состав твердого и жидкого топлива

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих (углерода - , водорода - , серы - ) и негорючих (азота - и кислорода - ) элементов и балласта (золы - , влаги - ).

При изучении характеристик твердых и жидких топлив и их состава различают рабочую, горючую и сухую массу. Состав рабочей, горючей и сухой массы обозначается соответственно индексами «р», «г», «с» и выражается следующими равенствами:

	(2-7)

В данных формулах содержание элементов дано в процентах на 1 кг топлива. Коэффициенты пересчета состава топлива из одной массы в другую приведены в табл. 1.

Табл. 1

Заданная масса топлива	Коэффициенты пересчета на массу
рабочую	горючую	Сухую
Рабочая
Горючая
Сухая

При изменении процентной доли одного из компонентов от (%) до (%) пересчет нового состава (%) массы топлива по исходному (%), производится по формуле

(2-7)

Средний состав смеси двух твердых или жидких топлив, заданных массовыми долями, определяется по уравнению:

(2-6)

где массовая доля одного из топлив в смеси находится по формуле

.

(2-6)

Здесь и - массы топлив, входящих в смесь, кг.

Химический состав газообразного топлива

Газообразные топлива состоят из горючих (, , , ) и негорючих (, , ) газов и небольшого количества водяного пара (). Состав газообразного топлива выражается объемными долями отдельных газовых составляющих в %.

(2-6)

Аналогично твердому и жидкому топливу, при изменении процентной доли одного из компонентов от (%) до (%) пересчет нового состава (%) массы топлива по исходному (%), производится по формуле (2-7).

Средний состав смеси двух газообразных топлив, заданных объемными долями, определяется через массовые доли, аналогично твердым и жидким топливам. Поэтому, прежде чем использовать уравнение (2-6), необходимо объемные доли выразить через массовые, используя следующее соотношение:

(2-6)

где - молярные массы компонентов газообразного топлива; - кажущаяся молярная масса смеси, равная

(2-6)

Массовая доля , входящая в уравнение (2-6) для газообразных топлив определяется из выражения

(2-6)

Ну и наконец, при переводе из массовых составляющих в объемные, используется соотношение

(2-6)

Для того, чтобы смешать твердое или жидкое топливо с газообразным необходимо последнее разложить на элементарный состав, т.е. на , , и .

Подсчет этих элементов производят по следующему уравнению:

(2-6)

где - количество различных газов, составляющих газовую смесь; - искомое количество в данном газе углерода , водорода и т.д. в %; - молярный вес искомого элемента в составе -го газа с молярным весом .

Пример 1. Определить элементарный состав сухого топлива (генераторного газа) из донецкого газового угля по объему: %, %

	5%			13,5%
	0,3%			2,3%
	0,3%			51,9%
	26,5%			0,2%
			Итого	100%

Зная молекулярный вес каждого из газов, входящих в состав смеси, и его объемные проценты в ней, можно подсчитать кажущийся молекулярный вес смеси по выражению

(2-6)

При небольшом содержании тяжелых углеводородов состав может быть заменен без значительной погрешности этиленом .

Состав газа по весу определяем по формуле

(2-6)

Для данного случая состав газов по весу получается равным

	8,8%			1,1%
	0,4%			1,5%
	0,3%			58,0%
	29,6%			0,3%
			Итого	100%

Чтобы получить элементарный состав рассматриваемого топлива, требуется определить для каждого из газов, входящих в смесь, сначала , затем и т.д., а затем их просуммировать.

Подсчет этих элементов производят по следующему уравнению:

(2-6)

Для рассматриваемого примера количество углерода в отдельных газах, составляющих смесь, равно:

%
%
%
%
Итого %

Количество водорода в отдельных газах:

%
%
%
%
Итого %

Количество кислорода в отдельных газах:

%
%
%
Итого %

Количество серы и азота в газах:

%
%
Итого %

Таким образом, элементарный состав сухого топлива в процентах по весу равняется

(2-6)

Теплота сгорания твердого топлива

Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты в кДж, выделяемой при полном сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м³ газообразного топлива. Поскольку количество выделяемой теплоты зависит от конечного состояния продуктов сгорания, в частности от того, в каком агрегатном состоянии находится влага (в виде пара или воды), различают высшую (кДж/кг) и низшую (кДж/кг) теплоту сгорания топлива. Различие между ними состоит в том, что высшая теплота сгорания топлива учитывает теплоту, которая выделяется при конденсации водяных паров (влага в продуктах сгорания находится в виде воды), а низшая эту теплоту не учитывает.

Величины высшей и низшей теплоты сгорания рабочей, горючей и сухой массы твердого (жидкого) топлива связаны выражениями:

;	(2-6)
;
.

где вторая и третья составляющая правой части уравнения (2-6) соответствует количеству теплоты, затраченной на испарение воды, образующейся при горении водорода , кДж/кг и влаги в количестве , содержащейся в топливе.

При отсутствии опытных данных приближенное значение для твердого (жидкого) топлива может быть определено по формуле, предложенной Д.И. Менделеевым:

(2-7)

где , , , , - содержание соответственно углерода, водорода, кислорода, серы, влаги в рабочей массе топлива, %.

При пересчете низшей теплоты сгорания пользуются следующими формулами:

с горючей массы на рабочую и обратно

	(2-8)

с сухой массы на рабочую и обратно

	(2-8)

при изменении влажности с до и неизменной зольности:

(2-7)

При изменении зольности с до и неизменной влажности:

(2-7)

Теплота сгорания газообразного топлива

Для газообразного топлива низшая теплота сгорания подсчитывается по составу газа и теплоте сгорания отдельных его горючих составляющих:

(2-7)

где , , , - объемное содержание в топливе отдельных компонентов, %; , , , - теплоты сгорания отдельных газов, кДж/м³.

Теплоты сгорания отдельных газов, кДж/м³

Высшая теплота сгорания газообразного топлива высчитывается по формуле

(2-7)

Пиролиз

Пиролиз представляет собой простейший и, по-видимому, самый старый способ преобразования одного вида топлива в другой с лучшими показателями. Разные виды высокоэнергетического топлива могут быть получены с помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Процесс использовался в течение столетий для получения древесного угля. Традиционный пиролиз заключается в нагреве исходного материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300 - 500 ⁰С до полного удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно более высоких температурах. В течение столетий, а во многих случаях и сегодня, древесный уголь получается в процессе пиролиза древесины. В зависимости от влажности и эффективности процесса, 4-10 тонн древесины требуется для производства 1 тонны древесного угля. В случае если летучие вещества не собираются, древесный уголь содержит две трети энергии исходного сырья.

Пиролиз может проводиться в присутствии малого количества кислорода (газификация), воды (паровая газификация) и водорода (гидрогенизация). Одним из наиболее полезных продуктов в этом случае является метан, представляющий собой прекрасное топливо для производства электроэнергии с помощью высокоэффективных газовых турбин.

Более сложная техника пиролиза позволяет собрать летучие вещества, кроме того, контроль температуры позволяет контролировать их состав. Жидкие продукты могут использоваться в качестве жидкого топлива. Однако они содержат кислоты и должны очищаться перед использованием. Быстрый пиролиз растительных материалов, например древесины или скорлупы орехов, при температурах 800-900 ⁰С приводит к образованию 10% твердого древесного угля и преобразует 60 % исходного сырья в газ, содержащий большое количество водорода и монооксида углерода. Этот метод может составить конкуренцию традиционному пиролизу, однако для широкого коммерческого использования его необходимо отработать.

В настоящее время традиционный пиролиз считается наиболее привлекательным видом технологии. Использование относительно низких температур означает, что в атмосферу попадает малое количество загрязнителей, если сравнивать со сжиганием. Это обстоятельство дает экологическое преимущество пиролизу при переработке некоторых видов отходов. Предпринимаются попытки использования малых пиролизных установок для переработки отходов производства пластика, а также использованных автомобильных шин. Хранение или захоронение этих материалов вызывает растущую озабоченность в мире.

Производство древесного угля охватывает широкий диапазон технологий от простых и рудиментарных земляных устройств до сложных, обладающих большой мощностью реторт. Использование различных технологий приводит к получению древесного угля разного качества. Улучшение технологии производства древесного угля направлено на относительное увеличение угля на выходе и улучшение его качественных характеристик.

Типичные параметры качественного древесного угля:

Содержание золы – 5%;

Содержание углерода – 75%;

Содержание летучих компонентов – 20%;

Плотность – 250 – 300 кг/м³;

Физические параметры – умеренно рыхлый.

Усилия по оптимизации производства древесного угля направлены на оптимизацию приведенных выше параметров при минимальных инвестициях и затратах на обслуживающий персонал и максимальном выходе угля по отношению к количеству древесины на входе.

Производство древесного угля состоит из шести главных этапов:

Подготовка древесины;

Сушка и уменьшение влажности;

Предварительная карбонизация – уменьшение количества летучих компонентов;

Карбонизация – дальнейшее уменьшение количества летучих компонентов;

Завершение карбонизации – увеличение содержания углерода;

Охлаждение и стабилизация древесного угля.

Первый этап состоит из сбора и подготовки основного сырья – древесины. Для малых производителей производство древесного угля является дополнительной и периодической деятельностью, позволяющей уменьшить затраты на приобретение топлива или повысить доходы от его продажи. Соответственно, для них подготовка сырья заключается в простом сборе сучьев и веток. Для этих целей тратится незначительное время. Перед использованием древесина сушится. Уменьшение содержания воды облегчает в дальнейшем процесс карбонизации. В случае массового производства угля проводится очистка древесины от коры. По существующим оценкам, использование древесины с корой приводит к образованию древесного угля, имеющего зольность 30 %. В случае предварительного удаления коры зольность угля уменьшается до 1 – 5%, улучшая параметры сгорания древесного угля.

Второй этап получения древесного угля выполняется при температурах от 110 до 220 ⁰С. Этот этап заключается преимущественно в уменьшении количества воды в древесных порах, воды, содержащейся в клетках и химически связанной воды.

Третий этап проводится при температурах от 170 до 300 ⁰С и часто называется этапом предварительной карбонизации. На этом этапе выделяются пиролизные жидкости в форме метанола и уксусной кислоты, а также малое количество окиси и двуокиси углерода.

Четвертый этап выполняется при температурах от 200 до 300 ⁰С, когда образуется основная часть легких смол и пиролизных кислот. В конце этого этапа образуется древесный уголь, являющийся результатом карбонизации древесных остатков.

На пятом этапе при температурах от 300 до максимальной 500 ⁰С завершается выделение летучих компонентов и увеличивается содержание углерода в угле.

На шестом этапе полученный уголь охлаждают в течение по крайней мере 24 часов, чтобы увеличить его устойчивость и снизить риск самопроизвольного возгорания.

Наконец, финальный этап заключается в извлечении угля, упаковке, транспортировке, оптовой и розничной продаже потребителям. Уголь хрупок, поэтому подготовка и транспортировка на большие расстояния может увеличить содержание мелкой фракции в нем до 40%. Это значительно уменьшает ценность угля. Упаковка в мешках позволяет существенно уменьшить измельчение.

Дровяные котлы

В зависимости от способа сжигания топлива, топки и используемого древесного топлива эти котлы делятся на следующие типы:

- традиционные котлы с естественной тягой;

- традиционные котлы с принудительной тягой;

- пиролизные (газификационные) котлы;

- котлы на щепе;

- пеллетные котлы.

Тадиционные котлы естественной тягой

Работают на поленьях, чурках, овяных брикетах и различных годах производства. В основном это бытовые котлы с небольшой тепловой мощностью. В зависимости от организации и процесса горения их можно разделить на 3 подгруппы:

- котлы с верхним пламенем;

- нижним пламенем;

- горизонтальным пламенем.

Котлы с верхним пламенем

Схема работы котла с верхним пламенем

Принцип действия этих котлов практически такой же как у печей, описанных ранее. Здесь также присуствует разделение потоков воздуха на первичный и вторичный. При этом поток первичного воздуха подается в нижнюю часть котла, а вторичного - в верхнюю. При такой конструкции пламя вытягивается вертикально вверх. Сгорание топлива в данном типе котлов быстрое и слабо контролируемое: реакция протекает быстро вначале и потом сильно замедляется. Поэтому древесина сгорает не плностью и неравномерно. В результате мы получаем некачественную реакцию горения топлива с низкой тепловой эффективностью и высоким выбросом летучих веществ в атмосферу, что приводит к повышенному уровню загрязнения окружающей среды.

Единственным преимуществом данного типа котлов является низкий уровень капитальных затрат на приобретение самого теплогенератора.

Эффективность: 55% - 60%.

Котлы с горизонтальным пламенем