?УДК 662.815.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ ТОРФА

А.С. Заворин, А.В. Казаков, Р.Б. Табакаев

Томский политехнический институт E-mail: TabakaevRB@tpu.ru

Приводятся результаты экспериментальных исследовательских работ топливных брикетов из торфа, созданных для сжигания в слоевых топочных устройствах. Приведены теплотехнические и прочностные свойства, элементный состав приобретенных брикетов.

Ключевики:

Энергоресурсы, торф, топливные брикеты, теплотехнические свойства, элементный состав, пиролиз, полукокс, пиролизный конденсат, вещественный баланс.

Key words:

Energy resources, peat, fuel briquettes, thermotechnical characteristics, elemental composition, pyrolysis, semirnke, pyrolysis condensate, material balance.

Введение

В согласовании с программкой «Энергетическая стратегия Рф на период до 2020 г.» плановый объем ввода новых генерирующих мощностей составляет практически 41 ГВт [1], что, соответственно, тянет за собой рост потребности в сырьевых ресурсах. В свою очередь, прироста употребления природного газа термическими электрическими станциями по сопоставлению с современным уровнем не ожидается, а даже, напротив, существует намерение ОАО «Газпром» понизить в наиблежайшие годы объем поставок газа для электроэнергетики РФ [2]. Напряженная ситуация с добычей угля (взрывы и следующие длительные восстановительные работы на ряде шахт, перегруженность жд путей, приводящая к срыву сроков поставки угля), негативное публичное мировоззрение по ядерной энергетике (аварии на Чернобыльской АЭС, «Фукусима-1»), большие издержки и экологические последствия строительства ГЭС делают трудности не только лишь в выполнении программки развития, да и актуализируют вопрос энергетической безопасности Рф.

Сложившаяся ситуация подводит к необходимости широкого использования местных, сначала возобновляемых, энергоресурсов, таких как торф, припасы которого в нашей стране составляют более 28,7 миллиардов т [3]. Располагаясь на поверхности земли, тем сводя до минимума издержки на добычу и транспортировку, торф, но, фактически не нужен в энергетике. Этот факт сначала обоснован его низкими теплотехническими чертами (высочайшей влажностью, низкой теплотой сгорания), трудностями при транспортировке (торф улеживается, слипается, смерзается, затрудняя разгрузку).

Выполненные ранее работы по переработке торфа [4-6] не отыскали внедрения в индустрии, возможно, поэтому, что в методах переработки использовалось драгоценное и энергозатратное прессовое оборудование, завышающее себестоимость продукции.

Задачка разработки технологии, которая смогла бы использовать торф на топливно-энергетическом рынке, является животрепещущей.

Главные положения технологии

Технологический процесс, основанный натер-мической деструкции твердого горючего, состоит из 3-х шагов. На первом шаге торф подвергается пиролизу при температуре до 400 °С, что позволяет использовать для оборудования углеродистые стали обычного свойства. В итоге термической обработки происходит разложение торфа на полукокс, пиролизный конденсат и полукоксовый газ, который, являясь побочным продуктом технологии, может употребляться конкретно как горючее для воплощения процесса пиролиза, тем снижая издержки на собственные нужды. На втором шаге полукокс измельчается, смешивается с пиролизным конденсатом, образуя формовочную смесь. Из приобретенной консистенции полукокса и пиролизного конденсата формируется брикетный сырец. Заключительным шагом является сушка брикетного сырца при температуре 105…110 °С с следующим отверждением при температуре 20 °С.

Экспериментальная установка для термической обработки

Для воплощения термообработки торфа разработана экспериментальная установка (рис. 1). Через загрузочное отверстие реактора -1 делается загрузка торфа. Нагрев реактора осуществляется по периметру с помощью электронагревателя — 2, температура в слое торфа фиксируется с помощью системы термопар — 3 и регистрирующего устройства — 4. Получаемые летучие продукты пиролиза (пары пирогенетической воды и смолы, полукоксовый газ) отводятся через газоотводящий патрубок — 5 по теплостойкому шлангу — 6 в холодильник — 7, где полукоксовый газ охлаждается, пары пирогенетической воды и смолы конденсируются, образуя пиролизный конденсат, который собирается в емкости для сбо-

Рис. 1. Вид в сборе (а) установки для пиролиза низкосортного сырья и ее принципная схема (б): 1) реактор, 2) электронагреватель, 3) система термопар, 4) регистратор температуры, 5) патрубок для отвода летучих товаров пиролиза, 6) теплостойкий шланг, 7) холодильник, 8) емкость для сбора конденсата

ра конденсата — 8. Полукоксовый газ после прохождения холодильника направляется на анализ.

Полукокс извлекается из реактора после проведения опыта и остывания реактора.

Начальное сырье

Исследуемые эталоны представляют торф Су-ховского и Аркадьевского месторождений Томской области, добытый с глубины 0,5…1 м. Теплотехнические свойства и элементный состав этих торфов приведены в табл. 1 и 2. Месторождения стопроцентно сложены одним типом залежи — низинным, относятся к группе среднеразложившихся торфов (степень разложения суховского торфа -27 %, аркадьевского — 30 % [7]). Величина естественной влажности (38.60 %) разъясняется тем, что месторождения были осушены под промышленное внедрение.

Торф Суховского месторождения кофейного цвета, уплотненный, характеризуется высочайшим выходом летучих, высочайшей влажностью, умеренной зольностью, что в совокупы приводит к низкой теплоте сгорания. Торф Аркадьевского месторождения темного цвета, рыхловатый, имеет высочайший выход летучих, умеренную влажность и зольность, как следствие, умеренную теплоту сгорания.

Анализируя эти свойства, закономерно сделать вывод, что исследуемые разновидности торфа Томской области, невзирая на подготовительную осушку месторождений, в естественном состоянии не являются многообещающим топливом для использования в энергетике, а могут рассматриваться как технологическое сырьё (создание препаратов для животноводства, защита растений, увеличение плодородия почв и др. [3]).

Таблица 1. Теплотехнические свойства образцов торфа Суховского и Аркадьевского месторождений

Теплотехнические свойства Торф

Суховской Аркадьевский

Влажность на рабочую массу '№11, % 59,6 38,2

Зольность на сухую массу Л0, % 39,5 31,5

Зольность на рабочую массу Л, % 15,9 19,5

Выход летучих веществ V», % 69,3 71,0

Теплота сгорания Ої, МДж/кг 1,7 5,5

Таблица 2. Элементный состав торфа Суховского и Аркадьевского месторождений

Торф Элементный состав на горючую массу, %

Н» ЇМ» <^0а( О"
Суховской 41,85 4,03 2,13 0,15 51,84

Аркадьевский 45,81 4,52 2,91 0,15 46,61

Результаты термической обработки торфа

Термообработка исследуемых торфов происходила при схожей мощности нагревателя и температуре 400 °С. Массовый выход приобретенных товаров пиролиза и их теплотворная способность приведены в табл. 3 и 4 соответственно.

Таблица 3. Вещественный баланс тепловой переработки торфов

Торф Выход товаров пиролиза на сухую массу, %

Полукокс Полукоксовый газ Пиролизный конденсат

Суховской 70,37 17,80 11,83

Аркадьевский 70,63 18,85 10,52

Образующийся полукокс представляет собой хрупкий и сухой пористый материал с завышенным содержанием углерода и теплотой сгорания порядка 10 МДж/кг. Пиролизный конденсат — вязкая масса, темно-коричневого цвета, с неплохими клейкими качествами и высочайшей теплотой сгорания 27. 28 МДж/кг. Полукоксовый газ содержит в собственном составе такие горючие составляющие как Н2, СО, СпНт, в итоге чего его теплота сгорания добивается 8.11 МДж/м3.

Таблица 4. Теплотехнические свойства товаров пиролиза торфа

Теплотехнические свойства Суховской торф Аркадьевский торф

Полу- кокс Пиролизный конденсат Полу- кокс Пиролизный конденсат

Зольность на сухую массу Л0, % 50,0 0,0 42,0 0,0

Выход летучих веществ Vа, % 35,4 100,0 23,3 100,0

Теплота сгорания О;, МДж/кг 9,8 27,1 10,0 28,0

Поиск хороших характеристик термообработки с целью прирастить выход более ценного продукта для технологического использования — пиролизного конденсата — проведен методом тестов при различной скорости нагрева (рис. 2).

мас.%

Суховской торф ^^“Аркадьевский торф

Рис. 2. Зависимость массового выхода пиролизного конденсата Мк от скорости нагрева торфа и (сухая масса)

Существенного роста в выходе пиролизного конденсата удается достигнуть только для торфа Суховского месторождения. Изменение в выходе пиролизного конденсата для торфа Аркадьевского месторождения попадает в интервал допускаемой погрешности.

Результаты формирования брикетного сырца

Полукокс, приобретенный при термической обработке торфа, измельчался до размеров частиц менее 1 мм, после этого смешивался с пиролизным конденсатом в соотношении 1:1 (по массе), которое является хорошим для формовки. Последовательное повышение концентрации полукокса до 60 % приводит к тому, что формовочная смесь становится очень сухой, связывающего вещества не хватает и брикетный сырец не формируется без

приложения усилий пресса. Повышение содержания пиролизного конденсата до 60 %, напротив, делает смесь очень вязкой, не позволяя придать брикетному сырцу устойчивую форму.

Теплотехнические свойства приобретенных брикетов приведены в табл. 5.

Таблица 5. Теплотехнические свойства брикетов из товаров термообработки торфов Сухов-ского и Аркадьевского месторождений [8]

Теплотехнические свойства Брикет

суховской аркадьевский

Влажность на рабочую массу Wt, % 0,0 0,0

Зольность на сухую массу Л0, % 32,2 48,0

Выход летучих веществ Vа', % 82,6 89,6

Теплота сгорания Ої, МДж/кг 17,7 14,0

Приобретенные брикеты за счет содержания в собственном составе пиролизного конденсата владеют гидростойкостью. Тесты на гидростойкость проводились по ГОСТ 21290-75, согласно которому брикеты взвешивались, помещались в сосуд с водой, где выдерживались в течение суток, после этого брикеты вынимались, выдерживались на воздухе (две минутки) для стекания воды и взвешивались. Конфигурации массы не происходило, что свидетельствует о высочайшей гидростойкости брикетов.

На пригодность использования в качестве связывающего вещества были изучены также декстрин — один из более дешевеньких связывающих, применяемых в индустрии, и бумага, пропитанная пиролизным конденсатом.

Декстрин является продуктом тепловой переработки картофельного либо кукурузного крахмала, имеет, зависимо от сорта, белоснежную, палевую либо желтоватую расцветку, при растворении в воде образует клейстер. Формовочную смесь получали методом смешивания пиролизного конденсата с декстрином, подогревая её до температуры 50.70 °С Исследовались формовочные консистенции с 5, 10, 15, 20, 30%-м содержанием декстрина (по массе).

Внедрение 5%-го раствора в качестве связывающего позволило использовать вполне весь полукокс, как в случае с суховским торфом, так и с аркадьевским. Формовочная смесь вышла однородной, склейкой. Она просто поддается формовке, сохраняет принятую форму. Надлежащие результаты показало применение и 10%-го раствора.

Более концентрированные смеси декстрина не смогли связать весь полукокс в формовочную смесь. Смесь выходила сухой, неоднородной, состоящей из слоев, что плохо сказывалось на формировании брикетного сырца, заставляя затрачивать дополнительные усилия для придания формы.

Бумага пропитывалась пиролизным конденсатом и добавлялась при формовке брикетов из полукокса и пиролизного конденсата. Были сформированы брикеты из полукокса торфа Суховского

месторождения и формовочной консистенции с 10%-м содержанием декстрина, также брикет с добавлением пропитанной бумаги (табл. 6).

Таблица 6. Теплотехнические свойства брикетов из торфяного полукокса, приобретенные сдобавлением заполнителей к пиролизному конденсату [8]

Теплотехнические свойства Брикет суховской

с декстрином с бумагой

Влажность на рабочую массу Wїt, % 0,0 0,0

Зольность на сухую массу Л0, % 38,4 27,3

Выход летучих веществ V», % 51,3 93,1

Теплота сгорания Оі, МДж/кг 8,47 21,64

Добавление пропитанной бумаги при формовке брикета позволило прирастить теплоту сгорания брикета из товаров пиролиза торфа Суховского месторождения с 17,7 до 21,64 МДж/кг, при всем этом брикет не утратил характеристики гидростойкости. Брикет с содержанием декстрина имеет наименьшую теплоту сгорания, к тому же не обладает гидростойкостью.

Тесты брикетов на крепкость

Тесты на механическую крепкость топливных брикетов выполнялись по ГОСТ 21289-75 «Брикеты угольные. Способы определения механической прочности». Суть данного способа заключается в сжатии брикета при помощи пресса для определения наибольшей нагрузки, которую сумеет выдержать брикет. Вторым испытанием является сбрасывание брикетов на железную плиту с высоты 1,5 м, после этого сброшенные брикеты собирались, просеивались на сите и взвешивались. Дальше составляется отношение массы брикета после сбрасывания к исходной.

Результаты испытаний проявили, что механической прочностью при сбрасывании владеют все брикеты, устойчивость к разрушению при падении составила 100 % для всех образцов исследуемых брикетов. Критическая нагрузка на сжатие су-ховского брикета составила 0,400 МПа, аркадьев-ского — 0,110 МПа, суховского с декстрином —

0,006 МПа, суховского с бумагой — 0,430 МПа [9].

Согласно ГОСТ 9963-84 «Брикеты торфяные для коммунально-бытовых нужд. Технические требования» к брикетам предъявлены требования по механической прочности при сбрасывании -не наименее 95 %. Приобретенные выше результаты определения прочностных черт проявили, что все приобретенные брикеты владеют требуемой меха-

нической прочностью. Брикеты из товаров пиролиза суховского торфа владеют огромным сопротивлением на сжатие, чем брикеты из торфа ар-кадьевсого. Также при сопоставлении наибольшей нагрузки брикетов можно увидеть, что добавление пропитанной бумаги содействовало повышению механической прочности. Брикет суховской с декстрином показал наихудший итог. При всем этом наружняя поверхность брикета после сушки в сушильном шкафу при температуре 105 °С покрылась маленькими трещинами, что, возможно, свидетельствует о необходимости снижения температуры и скорости сушки.

Воздействие температуры сушки на крепкость брикета было изучено на полукоксе торфа Суховского месторождения и формовочной консистенции с 10%-м содержанием декстрина. Критическая нагрузка на сжатие брикета с декстрином, высушенного при температуре 105 °С, составила 0,006 МПа, при 50 °С — 0,265 МПа, при 20 °С — 0,460 МПа.

Приобретенные результаты демонстрируют, что большей механической прочностью на сжатие по сопоставлению со всеми описанными брикетами владеют брикеты с декстрином, высушенные при комнатной температуре (20 °С).

Выводы

1. Предложена и апробирована на примере торфов Томской области разработка переработки торфа в топливные брикеты, созданные для использования в топливосжигающих устройствах слоевого типа.

2. Экспериментально изучена возможность использования наполняющих добавок к связующему в виде дешевеньких утилизируемых материалов.

3. Теплота сгорания приобретенных брикетов составляет 8,47.21,64 МДж/кг, что в 2,5.12,7 раз превосходит теплоту сгорания начальных топлив.

4. Более многообещающей технологией является получение брикета с добавлением пропитанной бумаги. Он обладает высочайшими прочностными чертами и самой высочайшей теплотой сгорания, маленькой зольностью и высочайшим выходом летучих. К тому же наличие гидростойкости значительно уменьшает издержки на хранение и подготовку горючего для котельных.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инноваторской России» на 2009-2013 гг.

Перечень ЛИТЕРАТУРЫ

1. Программка «Энергетическая стратегия Рф на период до 2020 года». Утверждена распоряжением Правительства Русской Федерации № 1234-р от 28 августа 2003 года // Официальный веб-сайт Министерства индустрии и торговли РФ. [2004-2010]. Дата обновления: 06.10.2005. URL: http://www.minprom.gov.ru/docs/strateg/1 (дата воззвания: 24.10.2011).

2. Стратегия в области электроэнергетики // Официальный веб-сайт ОАО «Газпром». [2003-2011]. Дата обновления: 24.10.2011. URL: http://www.gazprom.ru/strategy/ energetics/ (дата воззвания: 24.10.2011).

3. Томская область. Общая информация о регионе // Официальный веб портал Администрации Томской области [1998-2011]. Дата обновления: 24.10.2011. URL: http://tomsk. gov.ru/ru/tomsk_region/ (дата воззвания: 24.10.2011).

4. Смольянинов С.И., Маслов С.Г. Термобрикетирование торфа. — Томск: Изд-во ТГУ, 1975. — 108 с.

5. Булынко М.Г. Иванов В.Н. Сарматов М.И. Брикетирование торфа. — М.: Госэнергоиздат, 1962. — 303 с.

6. Метод производства брикетного горючего: пат. 2375414 Рос. Федерация. № 2008135644/04; заявл. 02.09.08; опубл. 10.12.09.

7. Инишева Л.И. Торфяные ресурсы Томской области и их внедрение. — Новосибирск: Б.и., 1995. — 88 с.

8. Бардашова Н.В., Беккер Е.Г. Исследование топливных черт брикетного эталона // Современные техника и технологии: Сб. трудов XVII Междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и юных ученых. В 3-х т. — Т. 3. — Томск: Изд-во ТПУ, 2012. — С. 189-190.

9. Казаков А.В., Табакаев Р.Б., Плахова Т.М. Воздействие связывающих веществ на прочностные характеристики топливных брикетов из торфа // Теплофизические базы энергетических технологий: Сб. научных трудов II Всероссийской научно-практ. конф. -Томск: Изд-во ТПУ, 2011. — С. 222-225.

Поступила 20.02.2012 г.

УДК 662.76

Увеличение ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ Тепловой КОНВЕРСИИ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ

Г.В. Кузнецов, Р.Н. Кулеш, М. Полсонгкрам

Томский политехнический институт E-mail: marisha@tpu.ru

Проведены экспериментальные исследования закономерностей теплового разложения 6 разновидностей древесной биомассы вдиапазоне конфигурации температур до 600 °С при разных скоростях нагрева материалов. Установлено, что выход твёрдых (углистое вещество), водянистых (биотопливо) и газообразных (биогаз) товаров практически не находится в зависимости от темпа нагрева. Приобретенные результаты являются основой для разработки мероприятий по увеличению энергоэффективности технологических процессов тепловой конверсии биомассы. Установлена общность зависимостей глубины тепловых перевоплощений от температуры и темпа нагрева, значительно отличающихся по собственной структуре, условиям роста и начальным чертам разновидностей древесной биомассы.

Ключевики:

Неспешный пиролиз, древесная биомасса, тепловое разложение, темп нагрева, углистое вещество, биотопливо, биогаз. Key words:

Slow pyrolysis, woody biomass, thermal decomposition, rate of heating carbonaceous material, biofuel, biogas.

Введение

Понятно [1], что внедрение древесной биомассы является, может быть, самым многообещающим направлением развития биоэнергетики, которая, в свою очередь, небезосновательно считается многими профессионалами [2, 3] самым реальным возобновляемым источником электронной и термический энергии для многих территорий. Не считая того древесная биомасса является неплохим сырьем для получения водянистого биотоплива, биогаза и углистого вещества, спектр вероятных областей внедрения которого очень высок [1]. Но, невзирая на завышенное (по сопоставлению с другими энергоресурсами) внимание исследователей и инженеров на многих материках [2-5], по сей день нет примеров широкомасштабного внедрения древесной биомассы как конкретно в энергетике, так и в производстве вторичных энергоэлементов (биотопливо, биогаз).

Вероятнее всего, такое состояние работ по прямому либо косвенному использованию древесной породы в энергетике обосновано беспристрастными причинами, основной из которых является отсутствие достаточной для промышленной реализации научнотехнической проработки процессов тепловой конверсии таковой биомассы. Так, к примеру, не выполнены по сей день оценки энергоэффективности технологий неспешного пиролиза древесной биомассы в более обычных спектрах конфигурации температур. Установлены по группе обычных разновидностей этого сырья главные закономерности процессов теплового разложения [6, 7], но не исследовано воздействие темпа нагрева биомассы на состояние конечных товаров тепловой конверсии.

Понятно [2], что скорость нагрева — один из характеристик, определяющих выход товаров во время процесса пиролиза. При низкой скорости