Разработка методов расчета технологии и оборудования пирогенетической переработки древесины в жидкие продукты

Актуальность темы

Существенной проблемой лесопромышленного комплекса при существующем уровне его развития является низкая эффективность использования сырьевых ресурсов. Значительная доля древесной биомассы в процессе переработки выходит из производственного оборота в виде отходов лесозаготовок, лесопиления, деревообработки или вовсе оказывается непригодной для переработки с применением существующих технологий лесопиления. При уровне заготовки древесины 178 млн. м3 ежегодное количество только отходов деревообработки составляет более 70, чмлн. м. Постоянное недоиспользование расчетной лесосеки приводит к накоплению невостребованной низкокачественной древесины, большая часть которой ухудшает экологическую обстановку, приводит к деградации лесных насаждений и повышает пожарную опасность. С другой стороны, в связи с нестабильностью мировых цен на ископаемые энергоносители человечество все больше задумывается о вовлечении в сырьевую базу химических производств и топливно-энергетический комплекс альтернативных возобновляемых ресурсов, одним из которых является биомасса древесины. Однако использование биомассы в качестве топлива' и химического сырья в ряде случаев малоэффективно, ввиду того что она рассеяна по территории, имеет малую транспортную плотность и практически не приспособлена к существующей производственной инфраструктуре, ориентированной на потребление ископаемых ресурсов. Минимизировать негативное влияние данных факторов возможно с помощью предварительной децентрализованной переработки растительной биомассы в промежуточные продукты с более высокой плотностью, которые в дальнейшем могли бы «перерабатываться в крупных промышленных центрах с получением традиционных продуктов нефтехимии.

Пирогенетическая переработка — один из неселективных методов переработки древесной биомассы в твердые, жидкие и газообразные продукты. В зависимости от внешних условий и свойств сырья состав и количество продуктов термического разложения сильно изменяются, что, в свою очередь, влияет на эффективность термохимических процессов. Наибольший интерес при вовлечении древесного сырья в существующую инфраструктуру представляют жидкие продукты. Максимизировать выход жидких продуктов при термическом разложении древесины можно путем увеличения скорости нагрева и снижения продолжительности пребывания продуктов в зоне реакции, что требует существенной интенсификации процессов, происходящих при пирогенетической переработке древесины. Интенсификация процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесины, открывает широкие перспективы в области повышения эффективности промышленной технологии и невозможна без глубоких теоретических знаний и новых методов расчета высокоэффективных технологий пирогенетической переработки.

Таким образом, • комплексное исследование процессов пирогенетической переработки древесины в жидкие продукты, разработка методов расчета технологических процессов и аппаратурного оформления производственных процессов пирогенетической переработки отходов лесного комплекса и низкотоварной древесины, а также совершенствование действующих и создание новых высокоэффективных ресурсои энергосберегающих технологий является актуальной задачей, имеющей важное значение для экономики.

Работа выполнена при поддержке: гранта Президента РФ № МК-2950.2007.3, гранта Всемирного банка в рамках конкурса «Инновации для устойчивого развития РТ», гранта по программе Старт № 09−4-Н4.4−0133.

Степень разработанности проблемы. Исследованию процессов и технологии пирогенетической переработки древесины посвящены работы В. Н. Козлова, В. И. Корякина, Н. И. Никитина, Н. И. Богдановича, Ю. Д. Юдкевича, IO.JI. Юрьева, С. Briens, F. Berruti, R. Graham, M. Gronli, M.J. Antal. Вопросы изучения кинетических механизмов термического j и | IVv * разложения древесины и ее компонентов были в центре внимания таких ученых, как А. Д. Кислицин, F. Thurner, С.А. Koufopanos, A. Broido, A Liden, и др. Моделированием процесса термического разложения древесины занимались С. Н. Bamford, P. S. Маа, J. Lede, С. Di Blasi, Н.С. Kung, E.G. Kansa. Изучением термического разложения древесины в интенсивных режимах с целью получения жидких продуктов занимались В. Н. Пиялкин, A.V. Brigewater, D. Meier, J. Lede, W. Prins, R.C. Brown.

Но, несмотря Has имеющийся значительный опыт и задел исследований в области пирогенетической технологии, в связи с высокой сложностью процессов, при современном уровне развития теории отсутствуют единые методы расчета процессов пирогенетической переработки древесины в интенсивных режимах, в жидкие продукты.

Цель работы состоит в исследовании совокупности процессов и разработке обобщенных методов расчета оборудования и технологий пирогенетической переработки древесины и отходов лесного комплекса в жидкие продукты.

В связи с этим в представленной работе были поставлены следующие задачи: • (/. провести теоретический анализ свойств древесины и физико-химических процессов, протекающих при термическом воздействии на древесину в общем и частных случаях с определением ключевых технологических направлений пирогенетической переработкиразработать обобщенную математическую модель технологических процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесиныразработать алгоритм расчёта обобщенной математической модели пирогенетической переработки древесины;

У разработать экспериментальное оборудование и методики проведения экспериментов и • обработки данных при исследовании процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесиныидентифицировать^ экспериментальным путем основные неизвестные характеристики и константы, необходимые для моделирования и количественной оценки процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесиныопределить основные физико-химические свойства продуктов пирогенетической переработки древесиныосуществить математическое моделирование и экспериментальные исследования процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесины с определением основных зависимостейразработать. методики расчета основных конструктивных характеристик оборудования и рациональных режимных параметров для реализации производственных процессов при пиролизе древесиныразработать технологические схемы и оборудование для промышленной реализации производственных процессов пирогенетической переработки древесины.

Научная повизиа. <.

1. Впервые разработана обобщенная математическая модель пирогенетической переработки древесины, учитывающая основные производственные стадии: термического разложения древесины при различных условиях реализации процесса и конденсации парой в составе парогазовых продуктов.

2. Разработан комплекс экспериментального оборудования и методик проведения исследований и обработки данных, позволивших определить основные закономерности и идентифицировать неизвестные параметры в ходе изучения процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесины. • •.

3. В результате ,> физического и математического моделирования определены зависимости основных режимных параметров при термической переработке древесины в режиме механической абляции при интенсивном подводе тепла и конденсации паров в составе парогазовой смеси. >

4. Впервые экспериментально определены коэффициент трения скольжения и оптимальная скорость смещения образца относительно поверхности нагрева, при которой обеспечиваются минимальные удельные механические затраты при термическом разложении древесины в режиме абляции.

5. Экспериментально определена зависимость коэффициента проницаемости системы древесина — уголь в процессе термического разложения. .

6. Проведено исследование состава и физико-химических свойств (химический состав, коэффициент кинематической вязкости, давление паров, плотность и др.) жидких продуктов термического разложения древесины.

7. Разработаны способ термической переработки древесины и оборудование для его осуществления, новизна которых подтверждена патентами (пат. РФ№ 2 395 559, № 74 386).

Практическая ценность. На основании результатов исследования процесса термической переработки древесины и разработанных методик расчета стадий термического разложения древесины и конденсации паров появилась возможность * определять скорость процесса, выход продуктов, динамику температуры, плотности и давления в зависимости от гидродинамических условий, температуры и давления в реакторе, степени механического воздействия и параметров сырья. Разработан экспериментальный стенд и методика проведения экспериментов, которые позволяют определить. теплофизические характеристики и обеспечить комплексное исследование температуры, плотности, давления при кондуктивном термическом разложении древесины. Также разработан экспериментальный стенд и методика проведения на нем экспериментов и обработки экспериментальных данных для определения характеристик процесса термического разложения древесины в режиме абляции. Разработанные конструкция реактора абляционного пиролиза и методика его расчета могут быть использованы при проектировании производственных и комплексов термической переработки древесины. Обоснована возможность применения жидких продуктов быстрого пиролиза в качестве топлива для энергетического использования и в качестве сырья для химического производства. Разработана технология термической переработки древесины и ее аппаратурное оформление, внедрение которых позволит получить значимый экономический эффект за счёт обеспечения комплексного использования отходов и низкотоварной древесины.

Реализация работы. Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета, конструкторской документации, паспортов и инструкций по эксплуатации оборудования для термической переработки древесины. По результатам исследований разработан ряд рекомендаций и конструкторских решений. Разработаны установка для энергетического использования древесных отходов, передвижная и стационарные промышленные установки для пиролиза древесины, производственный комплекс термической переработки древесины в жидкие продукты. Разработана и внедрена на ООО «Сабинский полидрев» и ГБУ «Учебно-опытное пригородное лесничество» опытно-промышленная установка для термохимической переработки низкокачественной древесины в жидкие продукты. Внедрение разработок позволило обеспечить переработку низкотоварной древесины и отходов лесопиления и деревообработки с суммарным экономическим эффектом в размере 3,36 млн руб. в год.

Основные положения, выносимые на защиту.

Обобщенная математическая модель пирогенетической переработки древесины, учитывающая основные производственные стадии: термического разложения древесины при различных условиях реализации процесса и конденсацию паров в составе парогазовых продуктов.

Конструкции экспериментального оборудования для исследования процессов пирогенетической переработки древесины в различных режимах и методики проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных.

Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований, полученные при изучении процессов пирогенетической переработки древесины и продуктов переработки.

Методы расчета производственных процессов: пиролиза древесины в различных режимах и способах организации процессатермического разложения в режиме механической абляцииутилизации продуктов термической переработки.

Схемы и конструкции разработанных промышленных установок для пирогенетической переработки древесины и отходов лесного комплекса.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Наиболее существенные результаты, выносимые на защиту, относятся к пунктам 1, 2 паспорта специальности 05.21.05 — «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки" — к пунктам 11, 19 паспорта специальности 05.21.03 — «Технология и оборудование химической переработки биомассы деревахимия древесины».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на IV Республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан», Казань, 2000 г.- Всероссийских научно-практических конференциях «Химико-лесной комплекс — проблемы и решения», Красноярск, 2002;2004 г.- Международной научно-технической конференции «Лес -2004», Брянск, 2004 г.- Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», 2002, 2004, 2005, 2007, 2009 гг.- Международной научной конференции «Энерго-' и ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004 г.- IV Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины -2004», Санкт-Петербург, 2004 г.- Международных симпозиумах «Ресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, 2005, 2006, 2009 гг.- региональных форумах «Лес и человекКазань», Казань, 2006;2009 гг.- научно практической конференции «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов», Казань, 2006 г.- Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы», г. Казань 2008 г.- Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», г. Вологда, 2004, 2008;2009 гг., II Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология», Казань, 2008 г.- Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г. Казань, 2009 г.- IV Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире», г. Чита, 2009; Международной научно-практической конференции «Биоэнергетика и биотехнологии — эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки», г. Москва, 2009 г.- IV Международном конгрессе «Топливный Биоэтанол — 2009», Москва, 2009 г.- II Международном конгрессе-выставке «ЕвразияБио-2010», Москва, 2010 г.- Международном форуме возобновляемой энергетики, Санкт Петербург, 2010 г.- Международном конгрессе «Биомасса: топливо и энергия», Москва, 2011 г.;

Личное участие автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. Автором разработаны оригинальные методики и изготовлены экспериментальные стенды для исследования процессов термической переработки древесинывыполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 116 печатных работ, из которых 25 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, и 9 патентов РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 340 страницах машинописного текста и включает в себя 174 рисунков и 13 таблиц.

Список литературы

содержит 201 источник, из них 83 зарубежных авторов.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы. В первой главе «Современное состояние науки и техники в области пирогенетической ,.^переработки древесины» представлен анализ современного состояния науки и техники в области термической переработки древесины. Рассмотрены основные направления и классификация технологий термической переработки древесины. Проведен анализ существующих технологических схем процессов термической переработки древесины и рассмотрены конструктивные особенности ключевых элементов и основного оборудования в составе технологических схем. Рассмотрены теоретические основы процессов. и проанализированы основные подходы экспериментального исследования и математического моделирования процессов, протекающих при термическом разложении древесины, в различных режимах.

Во второй главе «Разработка обобщенной математической модели пирогенетической переработки древесины» проведен подробный анализ процесса, сформулированы основные допущения и на их основе разработана обобщенная математическая модель термической переработки древесины и алгоритм ее расчета.

В третьей главе «Разработка экспериментального оборудования и методик исследования процессов пирогенетической переработки древесины» представлено описание экспериментального оборудования и методик проведения экспериментов, применявшихся для изучения процессов термической переработки древесины. Для исследования процессов термического разложения были разработаны и использовались: экспериментальная установка для исследования термического разложения при конвективном подводе тепла, экспериментальный стенд для исследования динамики термического разложения, экспериментальный стенд для исследования процессов термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и конденсации продуктов разложения и экспериментальный стенд для исследования термического разложения в режиме механической абляции.

В четвертой главе «Моделирование процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесины» приведены результаты экспериментальных исследований термического разложения древесины и осуществлена проверка разработанных математических моделей на адекватность реальным процессам. Проведено математическое моделирование с целью определения рациональных технологических режимов и конструктивных характеристик оборудования для различных вариантов реализации процесса термической переработки, а также представлены результаты исследований свойств и характеристик продуктов термического разложения.

В пятой главе «Промышленная реализация результатов исследований и разработка технологий и аппаратурного оформления процессов пирогенетической переработки древесины и отходов лесного комплекса» на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические схемы и инженерные методы расчета производственных процессов термической переработки древесины, представлены результаты промышленного внедрения разработанных установок и технологических схем, проведена оценка технико-экономической эффективности термической переработки древесины. Спроектированы передвижная и стационарная промышленные установки для пиролиза древесины и производственный комплекс термической переработки. В приложении приведены программы расчета математических моделей, результаты статистической обработки полученных данных, акты внедрения разработок в промышленность.

выводы.

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований процесса пирогенетической переработки древесины определены потенциальные пути развития и интенсификации процесса. Маркетинговый анализ и оценка рыночного потенциала технологии показали, что с точки зрения дальнейшей переработки, накопления, транспортировки и перспектив дальнейшего использования древесины в существующей инфраструктуре разрабатываемое оборудование эффективнее чем больший выход жидких продуктов оно обеспечит, кроме того наиболее востребованный в условиях современного лесного хозяйствования диапазон производительности установок находится на уровне 50−500 кг/ч.

С учетом этих особенностей был разработан ряд технологических схем и опытных установок для пирогенетической переработки древесины с утилизацией парогазовой смеси периодического и непрерывного действия. В ходе проектно-изыскательских работ была разработана, а впоследствии и изготовлена опытно-промышленная установка для термической переработки древесины в жидкие продукты. Как показали производственные испытания, выход жидких продуктов пиролиза в пересчете на сухую массу сырья составил 59%, а общая термическая эффективность процесса — 83,7%.

Проведенные испытания реактора выявили наиболее проблемную его частьлопатки, которые обеспечивают прижим древесных частиц к горячей поверхности. Важным режимным параметром, влияющим на потребление электроэнергии, на дисперсность угля и качество получаемых жидких продуктов быстрого пиролиза, является частота вращения ротора реактора. В ходе проведенных испытаний рекомендовано значение скорости смещения частиц древесины относительно поверхности абляции не более 1,25 м/с. Также в ходе производственных испытаний определены основные режимные параметры и проблемные места модуля газоочистки и конденсации в составе опытно-промышленной установки для термической переработки древесины в жидкие продукты.

Проведенный технико-экономический анализ разработанного оборудования показал экономическую целесообразность его применения при переработке отходов лесопромышленного комплекса и древесины даже при небольших производительностях (на уровне 200 кг/ч). При рассмотрении проектов по пирогенетической переработке древесины необходимо учитывать возможности сырьевой базы и рассредоточенность биомассы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Существенной проблемой лесопромышленного комплекса является проблема низкой эффективности использования сырьевых ресурсов. Настоящая работа содержит в себе комплекс исследований направленных на разработку методов расчета технологии и оборудования для пирогенетической переработки данных ресурсов в жидкие продукты.

В результате проведенного аналитического обзора осуществлен анализ термохимических методов переработки древесины, существующих математических моделей и подходов к моделированию термического разложения древесины в различных режимах, рассмотрены основные кинетические модели и механизмы термического разложения компонентов древесины, а также рассмотрено современное состояние техники и технологии термической переработки древесины. На основе проведённых аналитических исследований сформулированы цель и основные задачи настоящей научной работы.

На основании анализа физической картины и формализации рассматриваемых технологических процессов разработано обобщенное математическое описание процесса пирогенетической переработки древесины. Согласно данной модели технологический процесс пирогенетической переработки древесины включает в себя основные стадии термического разложения и утилизации продуктов пиролиза. Причем модель термического разложения древесины рассматривается в рамках как внутренней (в масштабе частицы), так и внешней задач (в масштабах реактора) с учетом организации процесса. Модель утилизации продуктов пиролиза включает в себя модель вторичного термического разложения парогазовой смеси при движении в газоходах и модель конденсации паров. С учетом сложности внутренней задачи процесса термического разложения и многообразия возможных режимных параметров проработаны частные случаи данной части математической модели: термическое разложение с учетом фильтрации продуктов пиролиза, термическое разложение без учета фильтрации продуктов пиролиза, термическое разложение с учетом фильтрации продуктов пиролиза и дефектов каркаса и термическое разложение в абляционном режиме. С целью осуществления математического моделирования и для получения количественных численных решений математической модели сформулированы разностные аналоги дифференциальных уравнений и разработаны алгоритмы расчёта, на основе которых создана моделирующая программа в среде МаШСАО 14.

С целыо экспериментального исследования процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесины, разработаны: комплекс экспериментального оборудования и методов проведения экспериментов и обработки экспериментальных данныхэкспериментальные установки для исследования процессов термического разложения древесины в отсутствие механического воздействия и в режиме механической абляции, экспериментальный стенд для исследования термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и для исследования процесса конденсации паров в составе продуктов разложенияметоды экспериментального определения пространственно-временного распределения плотности, давления и температуры при разложении с кондуктивным подводом тепла, методы обработки экспериментальных данных и определения коэффициента трения скольжения при термическом разложении в режиме механической абляции, а также методика определения коэффициента проницаемости системы древесина-уголь при термическом разложении древесины.

На стадии расчётно-экспериментального исследования процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесины, и проверки на адекватность разработанной обобщенной математической модели проведены исследования процесса термического разложения при конвективном и кондуктивном подводе тепла, термического разложения древесины в режиме механической абляции и в условиях кипящего слоя, изучен процесс внешнего взаимодействия парогазовой смеси в реакторе и при движении в газоходах, исследован процесс конденсации паров при прямоточном движении парогазовой смеси с распыленным хладагентом, а также проведено исследование свойств сырья и продуктов термического разложения при пирогенетической переработке древесины. В ходе экспериментальных работ определена динамика температуры, плотности и давления при термическом разложении древесины в условиях кондуктивного и конвективного подвода тепла. Определен характер эволюции зоны термического разложения и влияние размера частицы. Проведены исследования коэффициента проницаемости системы древесина-уголь при термическом разложении древесины. Экспериментально установлена допустимость применения закона Дарси при моделировании процессов переноса парогазовой среды в древесине при термическом разложении. На основе экспериментальных данных и результатов математического моделирования определены Т-Рфункция состояния пористого каркаса и температурный предел распространения парогазовой смеси (Тн =200°С) при термическом разложении древесины. В ходе математического моделирования изучено влияние режимных параметров на профили скорости и парциальные концентрации продуктов пиролиза, а также установлено влияние удельного сечения дефектов каркаса/р на динамику профиля давления при термическом разложении древесины.

На стадии исследования процесса термического разложения древесины в режиме механической абляции был идентифицирован механизм процесса, определены значения коэффициента трения скольжения в процессе, получены зависимости скорости абляции древесины сосны при различных температурах, давлениях и частотах вращения диска, определены оптимальные удельные механические затраты на процесс, необходимые для расчета аппаратурного оформления процесса. В ходе математического моделирования установлено, что при толщине жидкого слоя интермедиата менее 100 мкм реагированием в слое можно пренебречь и выход жидких продуктов максимален (составляет 79%).

При исследовании процессов термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и конденсации продуктов термического разложения были получены опытные образцы пиролизной жидкости, осуществлена оценка распределения температуры по радиусу частицы, выявлено влияние плотности древесины, диаметра частицы и температуры реактора на кинетику процесса, а также влияние температуры и длины реактора на выход продуктов. В ходе исследования процесса конденсации паров в составе парогазовой смеси в спутном потоке распыленной жидкости были определены зависимости и характеристики гидравлического распыливания пиролизной жидкости, влияние режимных параметров (температура хладагента, содержание неконденсируемого газа) процесса конденсации на выход жидких продуктов и эффективность конденсации. С целыо однозначного определения математической модели были также проведены исследования необходимых физико-химических свойств пиролизной жидкости, полученной в результате термического разложения древесины. Определены состав жидких продуктов термического разложения, температурная зависимость коэффициента кинематической вязкости, зависимость давления смеси паров пиролизной жидкости и ряд других физико-химических характеристик. Удовлетворительная сходимость расчётных и опытных данных позволяет сделать вывод об адекватности разработанных математических моделей и методов расчета реальному процессу и о правомочности принятых допущений. Максимальное расхождение между расчетными и экспериментальными данными, полученными в идентичных условиях, составило не более 25%.

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований процесса пирогенетической переработки древесины определены потенциальные пути развития и интенсификации процесса в части промышленной реализации. Осуществленный маркетинговый анализ и оценка рыночного потенциала технологии показали, что с позиций дальнейшей переработки, накопления, транспортировки и перспектив дальнейшего использования древесины в разрабатываемом оборудовании наиболее эффективно обеспечить наибольший выход жидких продуктов, и то, что наиболее востребованный в условиях современного лесного хозяйствования диапазон производительности установок находится на уровне 50−500 кг/ч. На основе данного анализа был разработан ряд технологических схем и опытных установок для пирогенетической переработки древесины с утилизацией парогазовой смеси периодического и непрерывного действия. В ходе проектно-изыскательских работ была разработана, а впоследствии и изготовлена опытно-промышленная установка для термической переработки древесины в жидкие продукты. Как показали производственные испытания, выход жидких продуктов пиролиза в пересчете на сухую массу сырья составил 59%, а общая термическая эффективность процесса — 83,7%. На основании результатов проведенных испытаний рекомендовано значение скорости смещения частиц древесины относительно поверхности нагрева не более 1,25 м/с. Также в ходе производственных испытаний определены основные режимные параметры и проблемные места модуля газоочистки и конденсации в составе опытно-промышленной установки для термической переработки древесины в жидкие продукты.

Проведенный технико-экономический анализ разработанного оборудования показал экономическую целесообразность его применения при переработке отходов лесопромышленного комплекса и древесины даже при небольших производительностях (на уровне 200 кг/ч), кроме того, при рассмотрении проектов по пирогенетической переработке древесины необходимо учитывать возможности сырьевой базы и рассредоточенность биомассы.

В заключение в качестве основных результатов и выводов по работе можно представить следующие положения:

1. Проведен анализ современного состояния научных основ термической переработки древесины и сформулированы основные допущения процесса пирогенетической переработки древесины.

2. Разработана обобщенная математическая модель пирогенетической переработки древесины, учитывающая частные случаи термического разложения и конденсацию паров.

3. Разработаны алгоритм расчёта и моделирующая программа обобщенной математической модели термического разложения древесины.

4. Разработан комплекс экспериментального оборудования и методик проведения исследований и обработки данных, позволивших определить основные закономерности и идентифицировать неизвестные параметры в ходе изучения процессов, протекающих при пирогенетической переработке древесины.

5. Определены температурные зависимости коэффициента проницаемости при термическом разложении древесины, экспериментально установлено, что режим фильтрации парогазовой смеси в системе «древесина-уголь» соответствует закону Дарси .

6. Теоретически сформулирована и экспериментально определена Т-Рфункция разрушения каркаса при термическом разложении древесины.

7. Проведены исследования влияния скорости смещения, температуры поверхности нагрева и давления на образец на скорость термического разложения древесины в режиме механической абляции.

8. В ходе математического моделирования термического разложения древесины в режиме абляции установлено, что при толщине жидкого слоя интермедиата менее 100 мкм реагированием в слое можно пренебречь, а выход жидких продуктов максимален и составляет 79%.

9. Проведены исследования коэффициента трения скольжения при термическом разложении древесины в режиме абляции, который колеблется в диапазоне 0,08 — 0,2.

Ю.Исследованы состав и физико-химические свойства (химический состав, коэффициент кинематической вязкости, давление паров, плотность и др.) жидких продуктов термического разложения древесины.

11. По результатам исследования разработаны и внедрены в производство, с суммарным экономическим эффектом 3,36 млн руб., технологические схемы и аппаратурное оформление процессов пирогенетической переработки древесины, новизна которых подтверждена патентами РФ.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ л р — плотность (парциальная плотность), кг/м ;

Ттемпература, °Кс-теплоемкость, Дж/кг К;

Пкоэффициент пористостие — порозность слоя ;

Пр — производительность, кг/час.

Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К) — - скорость, м/с.

К-объем, м3;

Р — давление, Пак — коэффициент проницаемости, м — ц — динамическая вязкость, Па-сМрасх ' коэффициент расхода форсункиУ, а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(мК) — -коэффициент массоотдачи, м/с Л.

Бкоэффициент диффузии, м /с.

X — коэффициент теплопередачи, Вт/(м-К);

Еэнергия активации, Дж/моль;

К0 — предэкспоненциальный множитель, сек" 1- константа скорости химической реакции, сек" 1- КТепл — коэффициент теплопередачи Вт/(мК);

К — коэффициент, учитывающий разрушение каркаса при термическом разложениифактор Ватсонаш-масса, кгв- массовый расход, кг/секМ- молекулярная масса, кг/моль;

АЛ — удельная теплота химической реакции, Дж/кгх — доля прореагировавшей древесины, кг/кгх, г, 1- координата, мг — радиус, м;

Х-размер (параметр Максвелла-Боннела (2.150)-(2.152)), м;

Г — коэффициент формы;

I — размер/диаметр, м;

8 — площадь поперечного сечения, м2.

Б — площадь поверхности, м2 — координата границы раздела фаз, мстнахповерхностное натяжение, н/мкбдя — постоянная Больцмана, Дж/Ке — излучательная способностьт — время, сек л j, J — массовый поток, кг/м сек. Г — удельная поверхность, м2/м3 q — удельный тепловой поток, Вт/м2 <2 — количество теплоты, Дж.

8 — толщина промежуточного слоя интермедиата, мм.

Ь, апротяженность зоны разложения (коэффициенты прогонки), м г — удельная теплота парообразования, Дж/кг;

У, у — массовая доля, (массовый выход), кгкг, (%);

X-, Хг объемная/мольная доля компонента.

1, а2, аз, а4-элементно-температурные коэффициенты в выражении (2.143) укорневой угол факела,.

С, Н,0- число атомов углерода, водорода и кислорода в молекуле Од-значение интеграла столкновений- ?" 12 -характеристическая энергият12 — характеристическая длина-^{-параметр} полярностиМдш, -дипольный момент, Дебайп-показатель адиабатывбезразмерная плотностьАгкритерий АрхимедаИе-критерий РейнольдсаРг-критерий Прандтля- 8скритерий Шмидта- ¥-екритерий ВебераЬркритерий Лапласа.

Индексы.

О — начальный;

1,2,3 — реакции первичного термического разложения;

4,5- реакции вторичного термического разложения;

32- объемноповерхностный диаметрдр — древесинаг-газу-угольп — парс — смолаобщ — общаятв — твёрдая ун — уноскр — критическая/ийр — реакторс — сопло, реак — реакции пов — поверхность ф — фазы ж — жидкость пр — пребывание см — смещения трм — термического/ий разл — разложение обр — образец пгс — парогазовая смесь хим — химический исп — испарение ср — средняя абл — абляция кип — кипение.