На правах рукописи

Тимербаев Наиль Фарилович

Комплексная энерготехнологическая переработка древесных отходов с

применением прямоточной газификации

052105 ndash Древесиноведение технология и оборудование деревопереработки

052103 ndash Технология и оборудование химической переработки биомассы де-

рева химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань ndash 2012

2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образо-

вательном учреждении высшего профессионального образования laquoКазанский

национальный исследовательский технологический университетraquo

Научный консультант ndash доктор технических наук профессор

Сафин Рушан Гареевич Казанский наци-

ональный исследовательский технологиче-

ский университет заведующий кафедрой

переработки древесных материалов

Официальные оппоненты ndash

ndash

доктор технических наук профессор

Семенов Юрий Павлович Московский

государственный университет леса заве-

дующий кафедрой теплотехники

доктор технических наук

Мингалеева Гузель Рашидовна Исследова-

тельский центр проблем энергетики Учре-

ждения Российской академии наук КазНЦ

РАН заведующая лабораторией моделиро-

вания систем производства энергии

доктор технических наук профессор

Таймаров Михаил Александрович Казан-

ский государственный энергетический

университет заведующий кафедрой ко-

тельных установок и парогенераторов

Ведущая организация ndash ФГБОУ ВПО laquoСибирский государствен-

ный технологический университетraquo

(Красноярск)

Защита диссертации состоится 23 марта 2012 года в 1100 часов на за-

седании диссертационного совета ДМ 21208012 при Казанском националь-

ном исследовательском технологическом университете по адресу 420015 г

Казань ул К Маркса 68 зал заседаний Ученого совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО laquoКа-

занский национальный исследовательский технологический университетraquo

Автореферат разослан 10 февраля 2012 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук доцент ЕИ Байгильдиева

3

Общая характеристика работы

Актуальность темы Современная экономика Российской Федерации имеет ярко выражен-

ный сырьевой характер и более чем на половину состоит из добычи и экспорта

углеводородов Доля продукции лесопромышленного комплекса (ЛПК) в ва-

ловом национальном продукте Российской федерации не превышает 5 По-

вышение эффективности и конкурентоспособности деревоперерабатывающих

предприятий в Российской Федерации является одной из приоритетных задач

развития экономики

Одним из факторов сдерживающих развитие предприятий ЛПК явля-

ется низкий уровень их технической оснащенности приводящий к образова-

нию большого количества древесных отходов Ежегодно на предприятиях ле-

сопромышленного комплекса России образуются миллионы тонн древесных

отходов Наиболее простым способом утилизации древесных отходов является

их термическая переработка путем прямого сжигания с целью получения теп-

ловой энергии Более сложными но более эффективными являются методы

конверсии древесных отходов в жидкое либо газовое состояние с получением

продуктов востребованных химической и другими отраслями промышленно-

сти Одним из таких продуктов который можно получить путем прямоточной

газификации древесных отходов является синтез-газ широко применяемый в

химической промышленности

Применяемые и разрабатываемые в настоящее время слоевые газифи-

каторы направлены в основном на получение тепловой энергии и в большин-

стве своем вырабатывают генераторный газ забалластированный азотом па-

рами воды и загрязненный продуктами сухой перегонки и пиролиза древеси-

ны Различные не слоевые типы газификаторов позволяют получать более

качественный генераторный газ однако они работают под большим избыточ-

ным давлением либо при высоких температурах процесса что значительно

усложняет их аппаратурное оформление и как следствие их стоимость что

делает нерентабельной переработку древесных отходов в условиях малых де-

ревообрабатывающих предприятий

Помимо этого более 70 процентов от общей массы древесных отходов

ЛПК имеют высокую влажность и это значительно осложняет их энерготех-

нологическую переработку так как влажность это основной параметр лими-

тирующий практически все процессы протекающие при термохимической

переработке древесины

Вышеперечисленные факторы обуславливают актуальность разработки

технологий комплексной энерготехнологической переработки древесных от-

ходов которые позволяли бы получать тепловую энергию на технологические

нужды предприятий ЛПК генераторный газ в качестве топлива для существу-

ющих котельных агрегатов либо синтез газ пригодный для дальнейшего по-

лучения из него различных химических продуктов в условиях малых дерево-

обрабатывающих предприятий

4

Для решения данной задачи необходимо создание научно обоснованных

технологических решений позволяющих получить конечные продукты задан-

ного качества Таким образом комплексное исследование процессов сушки

высоковлажных древесных отходов и переработки их методом прямоточной

газификации разработка методов расчета и аппаратурного оформления техно-

логических процессов комплексной переработки древесных отходов является

актуальной задачей имеющей большое значение для экономики России

Диссертационная работа выполнялась в рамках государственной науч-

но- технической программы laquoКомплексное использование и воспроизводство

древесного сырьяraquo в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов

(код темы ГРНТИ 875114) а также при поддержке гранта по программе

Старт 8573р13910 и государственного контракта 16525115008 по теме

laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной переработки отхо-

дов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала и

моторного топливаraquo

Целью работы является формирование научно-обоснованных теоре-

тических предпосылок позволяющих разработать методы расчета и аппара-

турное оформление энерготехнологической переработки древесных отходов с

применением метода прямоточной газификации Для достижения поставлен-

ной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования

- идентификация физической картины процесса прямоточной газифика-

ции древесины

- разработка математической модели процесса прямоточной газифика-

ции древесины с учетом стадии предварительной сушки отходов за счет тепла

отходящих топочных газов или тепла продуктов газификации

- разработка алгоритма расчета и моделирование процесса сушки и

прямоточной газификации древесных отходов

- разработка экспериментальных стендов для исследования процесса

сушки древесных отходов отработанными топочными газами процесса прямо-

точной газификации древесины и процессов термического разложения древе-

сины в зависимости от режимных параметров

- разработка новых технических решений по совершенствованию тех-

ники и технологии сушки и прямоточной газификации древесных отходов

- разработка аппаратурного оформления новых технических решений

- выявление перспективных областей применения результатов модели-

рования и проведенных исследований

Степень разработанности проблемы

Вопросам энергетического использования древесных отходов посвяще-

ны работы следующих ученых Кислицына АН Семенова ЮП Головкова

СИ Жидкова АВ Юрьева ЮА Юдкевич ЮД В работах Пиялкина ВН

Козлова ВН Никитина НИ Богдановича НИ Сафина РР рассматриваются

термохимические методы переработки древесины Исследованием кинетиче-

ских механизмов и моделированием термического разложения органических

соединений занимались Померанцев ВВ Вандышев СС Таймаров МА

Сергеев ВВ Кузнецов ГФ Di Blasi RC Brown Теоретическим основам

5

процессов газификации посвящены работы Канторовича БВ Кузнецова ГФ

Сергеева ВВ Мингалеевой ГР Любиной ЮЛ Гроо АА

Несмотря на большое количество научных работ в области термическо-

го разложения органических соединений следует отметить что отсутствует

единая комплексная методика расчета технологий переработки широкой гам-

мы древесных отходов методом прямоточной газификации

Научная новизна

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические

решения направленные на повышение эффективности энерготехнологической

переработки отходов ЛПК

- создана обобщенная математическая модель процесса энерготехноло-

гической переработки древесных отходов прямоточной газификацией осно-

ванная на теории тепло-массопереноса осложненного параллельно протекаю-

щими химическими реакциями и общих кинетических закономерностях про-

цессов протекающих при непрерывно повышающемся термическом воздей-

ствии на древесину

- разработана методика расчета процесса предварительной сушки отхо-

дов деревообработки перед их газификацией при конвективных и кондуктив-

ных способах подвода рекуперативного тепла с технологических потоков от-

работанного топочного газа или произведенного генераторного газа

- разработаны и реализованы экспериментальные стенды для исследо-

вания совмещенного процесса сушки и термического разложения древесины в

которых применены современные средства регистрации и обработки данных

- предложена новая технология термической переработки отходов де-

ревообработки содержащих полимерные включения

- разработан способ прямоточной газификации высоковлажных отходов

позволяющий получить генераторный газ высокой теплотворной способности

- в результате исследований определен характер влияния влажности от-

ходов расхода дутьевого воздуха температуры в зоне горения и высоты зоны

восстановления на состав генераторного газа

- разработана новая технология прямоточной газификации древесных

отходов позволяющая одновременно утилизировать сдувочные газы образу-

ющиеся при переработке продуктов газификации в другие химические про-

дукты

- выявлены новые области использования результатов проведенных ис-

следований

Практическая ценность

В результате физического и математического моделирования процесса

термического разложения древесины разработаны и реализованы компьютер-

ные методики расчета процессов газификации влажных древесных отходов с

использованием бросового тепла отработанных топочных газов или продуктов

прямоточной газификации отходов деревообработки позволяющие вырабо-

тать рекомендации по выбору рациональных режимов ведения процессов и

конструктивных параметров установок

6

Разработаны высокоэффективные энергосберегающие конструкции

оборудования для осуществления процессов прямоточной газификации а так-

же рекомендации направленные на интенсификацию тепло-массообменных

процессов повышение технологических свойств продуктов термического рас-

пада древесины

Реализация работы

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при со-

здании конструкторских решений методик расчета конструкторской доку-

ментации паспортов и инструкций по эксплуатации

Внедрение установок переработки древесных отходов методом прямо-

точной газификации с общим экономическим эффектом 31 млн рублей осу-

ществлено на предприятиях ЗАО laquoЛаскрафтraquo и ООО laquoОрганикаraquo и ООО laquoСи-

риусraquo ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Макеты газификатора отходов деревообработки и узла каталитического

синтеза метанола предназначенные для отработки оптимальных режимов

производства моторного топлива в соответствии с гос контрактом

16525115008 внедрена на опытном полигоне laquoИскраraquo КНИТУ

Методика расчета процессов переработки древесных отходов различно-

го происхождения внедрены в научно-исследовательских центрах ОАО

laquoВКНИИЛПraquo ООО laquoНТЦ РТОraquo ООО laquoНПП Термодревraquo

Результаты проведенных исследований реализованы также при рекон-

струкции установки термохимической переработки твердых отходов в ОАО

laquoНижнекамскшинаraquo

Разработанные экспериментальные стенды методики исследований и

програмные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов laquoТехно-

логические процессы и оборудование деревообрабатывающих производствraquo и

laquoМатематическое моделирование процессов в деревообработкеraquo

Основные положения выносимые на защиту

Решение проблемы состоящей в создании эффективных технологий и

аппаратурном оформление процесса термической переработки высоковлаж-

ных древесных отходов и отходов деревопереработки в том числе содержа-

щих полимерные включения на основе режимных параметров и конструктив-

ных характеристик полученных в результате расчета математического описа-

ния а именно

- математическое описание технологических процессов сушки высоко-

влажных древесных отходов отработанными топочными газами и их газифи-

кации

- результаты математического моделирования и экспериментальных ис-

следований вышеуказанных процессов

- способы и конструкции установок термической переработки высоко-

влажных отходов и отходов деревопереработки содержащих полимерные

включения

- способы и конструкции установок прямоточной газификации древес-

ных отходов

7

- способы и конструкции установок конверсии отходов деревообработ-

ки в химические продукты

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на

международных симпозиумах laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo

(Казань 2005 2006 2007) на международных конференциях laquoМатематиче-

ские методы в технике и технологииraquo (Тамбов 2002 Ростов на дону 2003 Ка-

зань 2005) laquoАктуальные проблемы лесного комплексаraquo (Вологда 2008) Се-

вергеотех-2009 (Ухта 2009) laquoЭнергетика в современном миреraquo (Чита 2009)

laquoМолодые ученные в решение актуальных проблем наукиraquo (Красноярск 2004

2009) на всероссийской конференции laquoКомплексное использование вторич-

ных ресурсов и отходов (рецикл отходов)raquo (Санкт-Петербург 2011) на научно-

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo (Казань 2006) на научных сессиях по технологическим

процессам КГТУ (Казань 2004-2011)

Результаты работ экспонировались на Международной выставке науч-

но-технических достижений в Китае (Шеньян 2009) Международной специа-

лизированной выставке-форуме laquoWASMA-2007raquo Международном экологиче-

ском форуме (Санкт Петербург 2008) Экологическом форуме laquoЧеловек При-

рода Наука Техникаraquo (Казань 2006 2007) Московском международном са-

лоне инноваций и инвестиций (Москва 2005 2010) Республиканской выставке

нефтехимической индустрии laquoУрал экология -2007raquo (Уфа 2007) Междуна-

родном конкурсе laquoЭкологически безопасная продукцияraquo (Москва 2011)

Установка термической переработки древесных отходов удостоена се-

ребряных медалей на Международной выставке научно-технических достиже-

ний в Китае и на X Международном салоне инноваций и инвестиций в

Москве

Установка для пирогенетической переработки древесных отходов

награждена бронзовой медалью V Международного салона инноваций и инве-

стиций

Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в

реестр и поставщиков натуральной продукции отвечающей экологическим

требованиям (свидетельство 1076)

Публикации По результатам выполненных исследований автором

опубликовано 59 печатных работ в том числе одна монография 18 статей в

ведущих рецензируемых журналах и 10 патентов

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения шести

глав заключения списка литературы и приложений

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации определена

цель исследований отмечена научная новизна и практическая ценность рабо-

ты

В первой главе дан анализ современного состояния техники и техноло-

гии термохимической переработки древесных отходов проведен анализ суще-

8

ствующих подходов к математическому моделированию процессов термохи-

мической переработки и утилизации отходов деревообработки

Термохимические методы переработки древесных отходов делятся на

три основных направления сжигание пиролиз газификация Эти процессы

отличаются друг от друга количеством вводимого кислорода в камеру терми-

ческой переработки и температурой каждый из этих процессов имеет различ-

ное аппаратурное оформление и представляет собой совокупность весьма

сложных явлений включающих в себя множество связанных между собой

физико-механических и химических процессов таких как тепломассообмен

фазовые переходы процессы переноса в реагирующих газовых смесях и дви-

жение среды Химические процессы протекающие при термическом разложе-

нии древесины представляют собой комплекс сложных химических превра-

щений термической деструкции высокомолекулярных соединений состоящих

из множества элементарных взаимодействий

Анализ существующих технологий слоевой газификации отходов дере-

вообработки показал что газификация включает в себя взаимосвязанные про-

цессы нагрева древесных отходов их сушки пиролиза горения и химической

конверсии продуктов горения в генераторный газ Последовательность про-

цессов зависит от способа газификации который в свою очередь зависит от

требований предъявляемых к генераторному газу Для производства генера-

торного газа который непосредственно сжигается в котле утилизаторе при-

меняют противоточный или перекрестный ток При необходимости получения

более чистого генераторного газа например для сжигания в двигателях внут-

реннего сгорания либо использования в качестве химического сырья приме-

няется противоточный режим

Проведенный анализ технологических схем переработки древесных от-

ходов позволяет сделать вывод о том что для реализации в условиях малых

деревообрабатывающих предприятий в настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является технология прямоточного процесса газифи-

кации Для описания процессов протекающих при прямоточной газификации

может быть использована общая система нелинейных дифференциальных

уравнений тепло-массопереноса осложненного химическими реакциями ха-

рактеризующаяся дополнительными условиями для рассматриваемых ситуа-

ций а также различной формулировкой начальных и граничных условий Об-

щая теория переноса вещества и энергии служит теоретической основой ана-

литических и экспериментальных исследований процессов термической пере-

работки древесных частиц

Для управления процессами газификации древесных отходов с целью

получения продукт-газа с заданными свойствами необходимо детальное ис-

следование физико-химических процессов происходящих в каждой из зон га-

зификатора а также кинетики деструкции древесины при температурном воз-

действия

Во второй главе диссертации приведена формализация свойств древе-

сины существенных для математического описания процесса комплексной

энерготехнологической переработки древесных отходов включающего этапы

9

сушки древесных отходов и их прямоточной газификации Рассмотрены ос-

новные теплофизические свойства состав и строение древесины Описаны

теплофизические свойства древесных отходов как объекта сушки и представ-

лен анализ механизмов термического разложения древесины

В отношении теории теплопроводности древесина ndash сложная многофаз-

ная система с ярко выраженной анизотропией состоящая из твердой фазы ndash

скелета древесного вещества жидкой фазы ndash воды находящейся в связанном и

свободном состояниях и газообразной фазы ndash паровоздушной смеси запол-

няющей часть пор древесины которая не занята водой Материалы такого рода

в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело Коэф-

фициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую

условную величину так как передача тепла происходит всеми тремя способа-

ми ndash теплопроводностью конвекцией и излучением Через скелет древесного

вещества тепло передается теплопроводностью через поры ndash теплопроводно-

стью конвекцией и излучением одновременно при этом теплопроводность

каждого из компонентов различная Из всех компонентов древесины самую

высокую теплопроводность имеет влага поэтому коэффициент теплопровод-

ности пористых тел сильно зависит от влажности

В процессе термического разложения теплофизические свойства древе-

сины претерпевают изменения Текущая эффективная теплопроводность рас-

считывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины

угля и летучих веществ учитывающая лучистый теплообмен пор Аналогично

линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной рассчиты-

вается проницаемость частично пиролизированной древесины

Термическое разложение древесины является сложным процессом Оно

включает в себя множество физических и химических процессов таких как

теплоперенос с внутренними стоками или источниками совокупность после-

довательных экзотермических и эндотермических химических реакций сопро-

вождающихся повышением давления в материале изменением свойств мате-

риала в зависимости от степени разложения и тд

Для математического описания процессов разложения необходимо

знать константы скоростей химических реакций энергии активации и удель-

ную теплоту химических реакций Числовые значения этих параметров сильно

изменяются в зависимости от породы древесины условий разложения

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том что дре-

весина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки В

литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и мас-

сопроводные тепловые и химические характеристики древесины имеются эм-

пирические аппроксимированные зависимости теплофизических влажностных

и термодинамических химических характеристик Широко исследован меха-

низм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе

термического воздействия

В литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных по-

род освещается механизм химических преобразований а также излагаются

экспериментально-теоретические методы анализа параметров состояния дре-

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образо-

вательном учреждении высшего профессионального образования laquoКазанский

национальный исследовательский технологический университетraquo

Научный консультант ndash доктор технических наук профессор

Сафин Рушан Гареевич Казанский наци-

ональный исследовательский технологиче-

ский университет заведующий кафедрой

переработки древесных материалов

Официальные оппоненты ndash

ndash

доктор технических наук профессор

Семенов Юрий Павлович Московский

государственный университет леса заве-

дующий кафедрой теплотехники

доктор технических наук

Мингалеева Гузель Рашидовна Исследова-

тельский центр проблем энергетики Учре-

ждения Российской академии наук КазНЦ

РАН заведующая лабораторией моделиро-

вания систем производства энергии

доктор технических наук профессор

Таймаров Михаил Александрович Казан-

ский государственный энергетический

университет заведующий кафедрой ко-

тельных установок и парогенераторов

Ведущая организация ndash ФГБОУ ВПО laquoСибирский государствен-

ный технологический университетraquo

(Красноярск)

Защита диссертации состоится 23 марта 2012 года в 1100 часов на за-

седании диссертационного совета ДМ 21208012 при Казанском националь-

ном исследовательском технологическом университете по адресу 420015 г

Казань ул К Маркса 68 зал заседаний Ученого совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО laquoКа-

занский национальный исследовательский технологический университетraquo

Автореферат разослан 10 февраля 2012 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук доцент ЕИ Байгильдиева

3

Общая характеристика работы

Актуальность темы Современная экономика Российской Федерации имеет ярко выражен-

ный сырьевой характер и более чем на половину состоит из добычи и экспорта

углеводородов Доля продукции лесопромышленного комплекса (ЛПК) в ва-

ловом национальном продукте Российской федерации не превышает 5 По-

вышение эффективности и конкурентоспособности деревоперерабатывающих

предприятий в Российской Федерации является одной из приоритетных задач

развития экономики

Одним из факторов сдерживающих развитие предприятий ЛПК явля-

ется низкий уровень их технической оснащенности приводящий к образова-

нию большого количества древесных отходов Ежегодно на предприятиях ле-

сопромышленного комплекса России образуются миллионы тонн древесных

отходов Наиболее простым способом утилизации древесных отходов является

их термическая переработка путем прямого сжигания с целью получения теп-

ловой энергии Более сложными но более эффективными являются методы

конверсии древесных отходов в жидкое либо газовое состояние с получением

продуктов востребованных химической и другими отраслями промышленно-

сти Одним из таких продуктов который можно получить путем прямоточной

газификации древесных отходов является синтез-газ широко применяемый в

химической промышленности

Применяемые и разрабатываемые в настоящее время слоевые газифи-

каторы направлены в основном на получение тепловой энергии и в большин-

стве своем вырабатывают генераторный газ забалластированный азотом па-

рами воды и загрязненный продуктами сухой перегонки и пиролиза древеси-

ны Различные не слоевые типы газификаторов позволяют получать более

качественный генераторный газ однако они работают под большим избыточ-

ным давлением либо при высоких температурах процесса что значительно

усложняет их аппаратурное оформление и как следствие их стоимость что

делает нерентабельной переработку древесных отходов в условиях малых де-

ревообрабатывающих предприятий

Помимо этого более 70 процентов от общей массы древесных отходов

ЛПК имеют высокую влажность и это значительно осложняет их энерготех-

нологическую переработку так как влажность это основной параметр лими-

тирующий практически все процессы протекающие при термохимической

переработке древесины

Вышеперечисленные факторы обуславливают актуальность разработки

технологий комплексной энерготехнологической переработки древесных от-

ходов которые позволяли бы получать тепловую энергию на технологические

нужды предприятий ЛПК генераторный газ в качестве топлива для существу-

ющих котельных агрегатов либо синтез газ пригодный для дальнейшего по-

лучения из него различных химических продуктов в условиях малых дерево-

обрабатывающих предприятий

4

Для решения данной задачи необходимо создание научно обоснованных

технологических решений позволяющих получить конечные продукты задан-

ного качества Таким образом комплексное исследование процессов сушки

высоковлажных древесных отходов и переработки их методом прямоточной

газификации разработка методов расчета и аппаратурного оформления техно-

логических процессов комплексной переработки древесных отходов является

актуальной задачей имеющей большое значение для экономики России

Диссертационная работа выполнялась в рамках государственной науч-

но- технической программы laquoКомплексное использование и воспроизводство

древесного сырьяraquo в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов

(код темы ГРНТИ 875114) а также при поддержке гранта по программе

Старт 8573р13910 и государственного контракта 16525115008 по теме

laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной переработки отхо-

дов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала и

моторного топливаraquo

Целью работы является формирование научно-обоснованных теоре-

тических предпосылок позволяющих разработать методы расчета и аппара-

турное оформление энерготехнологической переработки древесных отходов с

применением метода прямоточной газификации Для достижения поставлен-

ной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования

- идентификация физической картины процесса прямоточной газифика-

ции древесины

- разработка математической модели процесса прямоточной газифика-

ции древесины с учетом стадии предварительной сушки отходов за счет тепла

отходящих топочных газов или тепла продуктов газификации

- разработка алгоритма расчета и моделирование процесса сушки и

прямоточной газификации древесных отходов

- разработка экспериментальных стендов для исследования процесса

сушки древесных отходов отработанными топочными газами процесса прямо-

точной газификации древесины и процессов термического разложения древе-

сины в зависимости от режимных параметров

- разработка новых технических решений по совершенствованию тех-

ники и технологии сушки и прямоточной газификации древесных отходов

- разработка аппаратурного оформления новых технических решений

- выявление перспективных областей применения результатов модели-

рования и проведенных исследований

Степень разработанности проблемы

Вопросам энергетического использования древесных отходов посвяще-

ны работы следующих ученых Кислицына АН Семенова ЮП Головкова

СИ Жидкова АВ Юрьева ЮА Юдкевич ЮД В работах Пиялкина ВН

Козлова ВН Никитина НИ Богдановича НИ Сафина РР рассматриваются

термохимические методы переработки древесины Исследованием кинетиче-

ских механизмов и моделированием термического разложения органических

соединений занимались Померанцев ВВ Вандышев СС Таймаров МА

Сергеев ВВ Кузнецов ГФ Di Blasi RC Brown Теоретическим основам

5

процессов газификации посвящены работы Канторовича БВ Кузнецова ГФ

Сергеева ВВ Мингалеевой ГР Любиной ЮЛ Гроо АА

Несмотря на большое количество научных работ в области термическо-

го разложения органических соединений следует отметить что отсутствует

единая комплексная методика расчета технологий переработки широкой гам-

мы древесных отходов методом прямоточной газификации

Научная новизна

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические

решения направленные на повышение эффективности энерготехнологической

переработки отходов ЛПК

- создана обобщенная математическая модель процесса энерготехноло-

гической переработки древесных отходов прямоточной газификацией осно-

ванная на теории тепло-массопереноса осложненного параллельно протекаю-

щими химическими реакциями и общих кинетических закономерностях про-

цессов протекающих при непрерывно повышающемся термическом воздей-

ствии на древесину

- разработана методика расчета процесса предварительной сушки отхо-

дов деревообработки перед их газификацией при конвективных и кондуктив-

ных способах подвода рекуперативного тепла с технологических потоков от-

работанного топочного газа или произведенного генераторного газа

- разработаны и реализованы экспериментальные стенды для исследо-

вания совмещенного процесса сушки и термического разложения древесины в

которых применены современные средства регистрации и обработки данных

- предложена новая технология термической переработки отходов де-

ревообработки содержащих полимерные включения

- разработан способ прямоточной газификации высоковлажных отходов

позволяющий получить генераторный газ высокой теплотворной способности

- в результате исследований определен характер влияния влажности от-

ходов расхода дутьевого воздуха температуры в зоне горения и высоты зоны

восстановления на состав генераторного газа

- разработана новая технология прямоточной газификации древесных

отходов позволяющая одновременно утилизировать сдувочные газы образу-

ющиеся при переработке продуктов газификации в другие химические про-

дукты

- выявлены новые области использования результатов проведенных ис-

следований

Практическая ценность

В результате физического и математического моделирования процесса

термического разложения древесины разработаны и реализованы компьютер-

ные методики расчета процессов газификации влажных древесных отходов с

использованием бросового тепла отработанных топочных газов или продуктов

прямоточной газификации отходов деревообработки позволяющие вырабо-

тать рекомендации по выбору рациональных режимов ведения процессов и

конструктивных параметров установок

6

Разработаны высокоэффективные энергосберегающие конструкции

оборудования для осуществления процессов прямоточной газификации а так-

же рекомендации направленные на интенсификацию тепло-массообменных

процессов повышение технологических свойств продуктов термического рас-

пада древесины

Реализация работы

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при со-

здании конструкторских решений методик расчета конструкторской доку-

ментации паспортов и инструкций по эксплуатации

Внедрение установок переработки древесных отходов методом прямо-

точной газификации с общим экономическим эффектом 31 млн рублей осу-

ществлено на предприятиях ЗАО laquoЛаскрафтraquo и ООО laquoОрганикаraquo и ООО laquoСи-

риусraquo ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Макеты газификатора отходов деревообработки и узла каталитического

синтеза метанола предназначенные для отработки оптимальных режимов

производства моторного топлива в соответствии с гос контрактом

16525115008 внедрена на опытном полигоне laquoИскраraquo КНИТУ

Методика расчета процессов переработки древесных отходов различно-

го происхождения внедрены в научно-исследовательских центрах ОАО

laquoВКНИИЛПraquo ООО laquoНТЦ РТОraquo ООО laquoНПП Термодревraquo

Результаты проведенных исследований реализованы также при рекон-

струкции установки термохимической переработки твердых отходов в ОАО

laquoНижнекамскшинаraquo

Разработанные экспериментальные стенды методики исследований и

програмные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов laquoТехно-

логические процессы и оборудование деревообрабатывающих производствraquo и

laquoМатематическое моделирование процессов в деревообработкеraquo

Основные положения выносимые на защиту

Решение проблемы состоящей в создании эффективных технологий и

аппаратурном оформление процесса термической переработки высоковлаж-

ных древесных отходов и отходов деревопереработки в том числе содержа-

щих полимерные включения на основе режимных параметров и конструктив-

ных характеристик полученных в результате расчета математического описа-

ния а именно

- математическое описание технологических процессов сушки высоко-

влажных древесных отходов отработанными топочными газами и их газифи-

кации

- результаты математического моделирования и экспериментальных ис-

следований вышеуказанных процессов

- способы и конструкции установок термической переработки высоко-

влажных отходов и отходов деревопереработки содержащих полимерные

включения

- способы и конструкции установок прямоточной газификации древес-

ных отходов

7

- способы и конструкции установок конверсии отходов деревообработ-

ки в химические продукты

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на

международных симпозиумах laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo

(Казань 2005 2006 2007) на международных конференциях laquoМатематиче-

ские методы в технике и технологииraquo (Тамбов 2002 Ростов на дону 2003 Ка-

зань 2005) laquoАктуальные проблемы лесного комплексаraquo (Вологда 2008) Се-

вергеотех-2009 (Ухта 2009) laquoЭнергетика в современном миреraquo (Чита 2009)

laquoМолодые ученные в решение актуальных проблем наукиraquo (Красноярск 2004

2009) на всероссийской конференции laquoКомплексное использование вторич-

ных ресурсов и отходов (рецикл отходов)raquo (Санкт-Петербург 2011) на научно-

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo (Казань 2006) на научных сессиях по технологическим

процессам КГТУ (Казань 2004-2011)

Результаты работ экспонировались на Международной выставке науч-

но-технических достижений в Китае (Шеньян 2009) Международной специа-

лизированной выставке-форуме laquoWASMA-2007raquo Международном экологиче-

ском форуме (Санкт Петербург 2008) Экологическом форуме laquoЧеловек При-

рода Наука Техникаraquo (Казань 2006 2007) Московском международном са-

лоне инноваций и инвестиций (Москва 2005 2010) Республиканской выставке

нефтехимической индустрии laquoУрал экология -2007raquo (Уфа 2007) Междуна-

родном конкурсе laquoЭкологически безопасная продукцияraquo (Москва 2011)

Установка термической переработки древесных отходов удостоена се-

ребряных медалей на Международной выставке научно-технических достиже-

ний в Китае и на X Международном салоне инноваций и инвестиций в

Москве

Установка для пирогенетической переработки древесных отходов

награждена бронзовой медалью V Международного салона инноваций и инве-

стиций

Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в

реестр и поставщиков натуральной продукции отвечающей экологическим

требованиям (свидетельство 1076)

Публикации По результатам выполненных исследований автором

опубликовано 59 печатных работ в том числе одна монография 18 статей в

ведущих рецензируемых журналах и 10 патентов

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения шести

глав заключения списка литературы и приложений

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации определена

цель исследований отмечена научная новизна и практическая ценность рабо-

ты

В первой главе дан анализ современного состояния техники и техноло-

гии термохимической переработки древесных отходов проведен анализ суще-

8

ствующих подходов к математическому моделированию процессов термохи-

мической переработки и утилизации отходов деревообработки

Термохимические методы переработки древесных отходов делятся на

три основных направления сжигание пиролиз газификация Эти процессы

отличаются друг от друга количеством вводимого кислорода в камеру терми-

ческой переработки и температурой каждый из этих процессов имеет различ-

ное аппаратурное оформление и представляет собой совокупность весьма

сложных явлений включающих в себя множество связанных между собой

физико-механических и химических процессов таких как тепломассообмен

фазовые переходы процессы переноса в реагирующих газовых смесях и дви-

жение среды Химические процессы протекающие при термическом разложе-

нии древесины представляют собой комплекс сложных химических превра-

щений термической деструкции высокомолекулярных соединений состоящих

из множества элементарных взаимодействий

Анализ существующих технологий слоевой газификации отходов дере-

вообработки показал что газификация включает в себя взаимосвязанные про-

цессы нагрева древесных отходов их сушки пиролиза горения и химической

конверсии продуктов горения в генераторный газ Последовательность про-

цессов зависит от способа газификации который в свою очередь зависит от

требований предъявляемых к генераторному газу Для производства генера-

торного газа который непосредственно сжигается в котле утилизаторе при-

меняют противоточный или перекрестный ток При необходимости получения

более чистого генераторного газа например для сжигания в двигателях внут-

реннего сгорания либо использования в качестве химического сырья приме-

няется противоточный режим

Проведенный анализ технологических схем переработки древесных от-

ходов позволяет сделать вывод о том что для реализации в условиях малых

деревообрабатывающих предприятий в настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является технология прямоточного процесса газифи-

кации Для описания процессов протекающих при прямоточной газификации

может быть использована общая система нелинейных дифференциальных

уравнений тепло-массопереноса осложненного химическими реакциями ха-

рактеризующаяся дополнительными условиями для рассматриваемых ситуа-

ций а также различной формулировкой начальных и граничных условий Об-

щая теория переноса вещества и энергии служит теоретической основой ана-

литических и экспериментальных исследований процессов термической пере-

работки древесных частиц

Для управления процессами газификации древесных отходов с целью

получения продукт-газа с заданными свойствами необходимо детальное ис-

следование физико-химических процессов происходящих в каждой из зон га-

зификатора а также кинетики деструкции древесины при температурном воз-

действия

Во второй главе диссертации приведена формализация свойств древе-

сины существенных для математического описания процесса комплексной

энерготехнологической переработки древесных отходов включающего этапы

9

сушки древесных отходов и их прямоточной газификации Рассмотрены ос-

новные теплофизические свойства состав и строение древесины Описаны

теплофизические свойства древесных отходов как объекта сушки и представ-

лен анализ механизмов термического разложения древесины

В отношении теории теплопроводности древесина ndash сложная многофаз-

ная система с ярко выраженной анизотропией состоящая из твердой фазы ndash

скелета древесного вещества жидкой фазы ndash воды находящейся в связанном и

свободном состояниях и газообразной фазы ndash паровоздушной смеси запол-

няющей часть пор древесины которая не занята водой Материалы такого рода

в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело Коэф-

фициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую

условную величину так как передача тепла происходит всеми тремя способа-

ми ndash теплопроводностью конвекцией и излучением Через скелет древесного

вещества тепло передается теплопроводностью через поры ndash теплопроводно-

стью конвекцией и излучением одновременно при этом теплопроводность

каждого из компонентов различная Из всех компонентов древесины самую

высокую теплопроводность имеет влага поэтому коэффициент теплопровод-

ности пористых тел сильно зависит от влажности

В процессе термического разложения теплофизические свойства древе-

сины претерпевают изменения Текущая эффективная теплопроводность рас-

считывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины

угля и летучих веществ учитывающая лучистый теплообмен пор Аналогично

линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной рассчиты-

вается проницаемость частично пиролизированной древесины

Термическое разложение древесины является сложным процессом Оно

включает в себя множество физических и химических процессов таких как

теплоперенос с внутренними стоками или источниками совокупность после-

довательных экзотермических и эндотермических химических реакций сопро-

вождающихся повышением давления в материале изменением свойств мате-

риала в зависимости от степени разложения и тд

Для математического описания процессов разложения необходимо

знать константы скоростей химических реакций энергии активации и удель-

ную теплоту химических реакций Числовые значения этих параметров сильно

изменяются в зависимости от породы древесины условий разложения

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том что дре-

весина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки В

литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и мас-

сопроводные тепловые и химические характеристики древесины имеются эм-

пирические аппроксимированные зависимости теплофизических влажностных

и термодинамических химических характеристик Широко исследован меха-

низм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе

термического воздействия

В литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных по-

род освещается механизм химических преобразований а также излагаются

экспериментально-теоретические методы анализа параметров состояния дре-

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

3

Общая характеристика работы

Актуальность темы Современная экономика Российской Федерации имеет ярко выражен-

ный сырьевой характер и более чем на половину состоит из добычи и экспорта

углеводородов Доля продукции лесопромышленного комплекса (ЛПК) в ва-

ловом национальном продукте Российской федерации не превышает 5 По-

вышение эффективности и конкурентоспособности деревоперерабатывающих

предприятий в Российской Федерации является одной из приоритетных задач

развития экономики

Одним из факторов сдерживающих развитие предприятий ЛПК явля-

ется низкий уровень их технической оснащенности приводящий к образова-

нию большого количества древесных отходов Ежегодно на предприятиях ле-

сопромышленного комплекса России образуются миллионы тонн древесных

отходов Наиболее простым способом утилизации древесных отходов является

их термическая переработка путем прямого сжигания с целью получения теп-

ловой энергии Более сложными но более эффективными являются методы

конверсии древесных отходов в жидкое либо газовое состояние с получением

продуктов востребованных химической и другими отраслями промышленно-

сти Одним из таких продуктов который можно получить путем прямоточной

газификации древесных отходов является синтез-газ широко применяемый в

химической промышленности

Применяемые и разрабатываемые в настоящее время слоевые газифи-

каторы направлены в основном на получение тепловой энергии и в большин-

стве своем вырабатывают генераторный газ забалластированный азотом па-

рами воды и загрязненный продуктами сухой перегонки и пиролиза древеси-

ны Различные не слоевые типы газификаторов позволяют получать более

качественный генераторный газ однако они работают под большим избыточ-

ным давлением либо при высоких температурах процесса что значительно

усложняет их аппаратурное оформление и как следствие их стоимость что

делает нерентабельной переработку древесных отходов в условиях малых де-

ревообрабатывающих предприятий

Помимо этого более 70 процентов от общей массы древесных отходов

ЛПК имеют высокую влажность и это значительно осложняет их энерготех-

нологическую переработку так как влажность это основной параметр лими-

тирующий практически все процессы протекающие при термохимической

переработке древесины

Вышеперечисленные факторы обуславливают актуальность разработки

технологий комплексной энерготехнологической переработки древесных от-

ходов которые позволяли бы получать тепловую энергию на технологические

нужды предприятий ЛПК генераторный газ в качестве топлива для существу-

ющих котельных агрегатов либо синтез газ пригодный для дальнейшего по-

лучения из него различных химических продуктов в условиях малых дерево-

обрабатывающих предприятий

4

Для решения данной задачи необходимо создание научно обоснованных

технологических решений позволяющих получить конечные продукты задан-

ного качества Таким образом комплексное исследование процессов сушки

высоковлажных древесных отходов и переработки их методом прямоточной

газификации разработка методов расчета и аппаратурного оформления техно-

логических процессов комплексной переработки древесных отходов является

актуальной задачей имеющей большое значение для экономики России

Диссертационная работа выполнялась в рамках государственной науч-

но- технической программы laquoКомплексное использование и воспроизводство

древесного сырьяraquo в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов

(код темы ГРНТИ 875114) а также при поддержке гранта по программе

Старт 8573р13910 и государственного контракта 16525115008 по теме

laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной переработки отхо-

дов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала и

моторного топливаraquo

Целью работы является формирование научно-обоснованных теоре-

тических предпосылок позволяющих разработать методы расчета и аппара-

турное оформление энерготехнологической переработки древесных отходов с

применением метода прямоточной газификации Для достижения поставлен-

ной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования

- идентификация физической картины процесса прямоточной газифика-

ции древесины

- разработка математической модели процесса прямоточной газифика-

ции древесины с учетом стадии предварительной сушки отходов за счет тепла

отходящих топочных газов или тепла продуктов газификации

- разработка алгоритма расчета и моделирование процесса сушки и

прямоточной газификации древесных отходов

- разработка экспериментальных стендов для исследования процесса

сушки древесных отходов отработанными топочными газами процесса прямо-

точной газификации древесины и процессов термического разложения древе-

сины в зависимости от режимных параметров

- разработка новых технических решений по совершенствованию тех-

ники и технологии сушки и прямоточной газификации древесных отходов

- разработка аппаратурного оформления новых технических решений

- выявление перспективных областей применения результатов модели-

рования и проведенных исследований

Степень разработанности проблемы

Вопросам энергетического использования древесных отходов посвяще-

ны работы следующих ученых Кислицына АН Семенова ЮП Головкова

СИ Жидкова АВ Юрьева ЮА Юдкевич ЮД В работах Пиялкина ВН

Козлова ВН Никитина НИ Богдановича НИ Сафина РР рассматриваются

термохимические методы переработки древесины Исследованием кинетиче-

ских механизмов и моделированием термического разложения органических

соединений занимались Померанцев ВВ Вандышев СС Таймаров МА

Сергеев ВВ Кузнецов ГФ Di Blasi RC Brown Теоретическим основам

5

процессов газификации посвящены работы Канторовича БВ Кузнецова ГФ

Сергеева ВВ Мингалеевой ГР Любиной ЮЛ Гроо АА

Несмотря на большое количество научных работ в области термическо-

го разложения органических соединений следует отметить что отсутствует

единая комплексная методика расчета технологий переработки широкой гам-

мы древесных отходов методом прямоточной газификации

Научная новизна

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические

решения направленные на повышение эффективности энерготехнологической

переработки отходов ЛПК

- создана обобщенная математическая модель процесса энерготехноло-

гической переработки древесных отходов прямоточной газификацией осно-

ванная на теории тепло-массопереноса осложненного параллельно протекаю-

щими химическими реакциями и общих кинетических закономерностях про-

цессов протекающих при непрерывно повышающемся термическом воздей-

ствии на древесину

- разработана методика расчета процесса предварительной сушки отхо-

дов деревообработки перед их газификацией при конвективных и кондуктив-

ных способах подвода рекуперативного тепла с технологических потоков от-

работанного топочного газа или произведенного генераторного газа

- разработаны и реализованы экспериментальные стенды для исследо-

вания совмещенного процесса сушки и термического разложения древесины в

которых применены современные средства регистрации и обработки данных

- предложена новая технология термической переработки отходов де-

ревообработки содержащих полимерные включения

- разработан способ прямоточной газификации высоковлажных отходов

позволяющий получить генераторный газ высокой теплотворной способности

- в результате исследований определен характер влияния влажности от-

ходов расхода дутьевого воздуха температуры в зоне горения и высоты зоны

восстановления на состав генераторного газа

- разработана новая технология прямоточной газификации древесных

отходов позволяющая одновременно утилизировать сдувочные газы образу-

ющиеся при переработке продуктов газификации в другие химические про-

дукты

- выявлены новые области использования результатов проведенных ис-

следований

Практическая ценность

В результате физического и математического моделирования процесса

термического разложения древесины разработаны и реализованы компьютер-

ные методики расчета процессов газификации влажных древесных отходов с

использованием бросового тепла отработанных топочных газов или продуктов

прямоточной газификации отходов деревообработки позволяющие вырабо-

тать рекомендации по выбору рациональных режимов ведения процессов и

конструктивных параметров установок

6

Разработаны высокоэффективные энергосберегающие конструкции

оборудования для осуществления процессов прямоточной газификации а так-

же рекомендации направленные на интенсификацию тепло-массообменных

процессов повышение технологических свойств продуктов термического рас-

пада древесины

Реализация работы

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при со-

здании конструкторских решений методик расчета конструкторской доку-

ментации паспортов и инструкций по эксплуатации

Внедрение установок переработки древесных отходов методом прямо-

точной газификации с общим экономическим эффектом 31 млн рублей осу-

ществлено на предприятиях ЗАО laquoЛаскрафтraquo и ООО laquoОрганикаraquo и ООО laquoСи-

риусraquo ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Макеты газификатора отходов деревообработки и узла каталитического

синтеза метанола предназначенные для отработки оптимальных режимов

производства моторного топлива в соответствии с гос контрактом

16525115008 внедрена на опытном полигоне laquoИскраraquo КНИТУ

Методика расчета процессов переработки древесных отходов различно-

го происхождения внедрены в научно-исследовательских центрах ОАО

laquoВКНИИЛПraquo ООО laquoНТЦ РТОraquo ООО laquoНПП Термодревraquo

Результаты проведенных исследований реализованы также при рекон-

струкции установки термохимической переработки твердых отходов в ОАО

laquoНижнекамскшинаraquo

Разработанные экспериментальные стенды методики исследований и

програмные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов laquoТехно-

логические процессы и оборудование деревообрабатывающих производствraquo и

laquoМатематическое моделирование процессов в деревообработкеraquo

Основные положения выносимые на защиту

Решение проблемы состоящей в создании эффективных технологий и

аппаратурном оформление процесса термической переработки высоковлаж-

ных древесных отходов и отходов деревопереработки в том числе содержа-

щих полимерные включения на основе режимных параметров и конструктив-

ных характеристик полученных в результате расчета математического описа-

ния а именно

- математическое описание технологических процессов сушки высоко-

влажных древесных отходов отработанными топочными газами и их газифи-

кации

- результаты математического моделирования и экспериментальных ис-

следований вышеуказанных процессов

- способы и конструкции установок термической переработки высоко-

влажных отходов и отходов деревопереработки содержащих полимерные

включения

- способы и конструкции установок прямоточной газификации древес-

ных отходов

7

- способы и конструкции установок конверсии отходов деревообработ-

ки в химические продукты

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на

международных симпозиумах laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo

(Казань 2005 2006 2007) на международных конференциях laquoМатематиче-

ские методы в технике и технологииraquo (Тамбов 2002 Ростов на дону 2003 Ка-

зань 2005) laquoАктуальные проблемы лесного комплексаraquo (Вологда 2008) Се-

вергеотех-2009 (Ухта 2009) laquoЭнергетика в современном миреraquo (Чита 2009)

laquoМолодые ученные в решение актуальных проблем наукиraquo (Красноярск 2004

2009) на всероссийской конференции laquoКомплексное использование вторич-

ных ресурсов и отходов (рецикл отходов)raquo (Санкт-Петербург 2011) на научно-

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo (Казань 2006) на научных сессиях по технологическим

процессам КГТУ (Казань 2004-2011)

Результаты работ экспонировались на Международной выставке науч-

но-технических достижений в Китае (Шеньян 2009) Международной специа-

лизированной выставке-форуме laquoWASMA-2007raquo Международном экологиче-

ском форуме (Санкт Петербург 2008) Экологическом форуме laquoЧеловек При-

рода Наука Техникаraquo (Казань 2006 2007) Московском международном са-

лоне инноваций и инвестиций (Москва 2005 2010) Республиканской выставке

нефтехимической индустрии laquoУрал экология -2007raquo (Уфа 2007) Междуна-

родном конкурсе laquoЭкологически безопасная продукцияraquo (Москва 2011)

Установка термической переработки древесных отходов удостоена се-

ребряных медалей на Международной выставке научно-технических достиже-

ний в Китае и на X Международном салоне инноваций и инвестиций в

Москве

Установка для пирогенетической переработки древесных отходов

награждена бронзовой медалью V Международного салона инноваций и инве-

стиций

Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в

реестр и поставщиков натуральной продукции отвечающей экологическим

требованиям (свидетельство 1076)

Публикации По результатам выполненных исследований автором

опубликовано 59 печатных работ в том числе одна монография 18 статей в

ведущих рецензируемых журналах и 10 патентов

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения шести

глав заключения списка литературы и приложений

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации определена

цель исследований отмечена научная новизна и практическая ценность рабо-

ты

В первой главе дан анализ современного состояния техники и техноло-

гии термохимической переработки древесных отходов проведен анализ суще-

8

ствующих подходов к математическому моделированию процессов термохи-

мической переработки и утилизации отходов деревообработки

Термохимические методы переработки древесных отходов делятся на

три основных направления сжигание пиролиз газификация Эти процессы

отличаются друг от друга количеством вводимого кислорода в камеру терми-

ческой переработки и температурой каждый из этих процессов имеет различ-

ное аппаратурное оформление и представляет собой совокупность весьма

сложных явлений включающих в себя множество связанных между собой

физико-механических и химических процессов таких как тепломассообмен

фазовые переходы процессы переноса в реагирующих газовых смесях и дви-

жение среды Химические процессы протекающие при термическом разложе-

нии древесины представляют собой комплекс сложных химических превра-

щений термической деструкции высокомолекулярных соединений состоящих

из множества элементарных взаимодействий

Анализ существующих технологий слоевой газификации отходов дере-

вообработки показал что газификация включает в себя взаимосвязанные про-

цессы нагрева древесных отходов их сушки пиролиза горения и химической

конверсии продуктов горения в генераторный газ Последовательность про-

цессов зависит от способа газификации который в свою очередь зависит от

требований предъявляемых к генераторному газу Для производства генера-

торного газа который непосредственно сжигается в котле утилизаторе при-

меняют противоточный или перекрестный ток При необходимости получения

более чистого генераторного газа например для сжигания в двигателях внут-

реннего сгорания либо использования в качестве химического сырья приме-

няется противоточный режим

Проведенный анализ технологических схем переработки древесных от-

ходов позволяет сделать вывод о том что для реализации в условиях малых

деревообрабатывающих предприятий в настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является технология прямоточного процесса газифи-

кации Для описания процессов протекающих при прямоточной газификации

может быть использована общая система нелинейных дифференциальных

уравнений тепло-массопереноса осложненного химическими реакциями ха-

рактеризующаяся дополнительными условиями для рассматриваемых ситуа-

ций а также различной формулировкой начальных и граничных условий Об-

щая теория переноса вещества и энергии служит теоретической основой ана-

литических и экспериментальных исследований процессов термической пере-

работки древесных частиц

Для управления процессами газификации древесных отходов с целью

получения продукт-газа с заданными свойствами необходимо детальное ис-

следование физико-химических процессов происходящих в каждой из зон га-

зификатора а также кинетики деструкции древесины при температурном воз-

действия

Во второй главе диссертации приведена формализация свойств древе-

сины существенных для математического описания процесса комплексной

энерготехнологической переработки древесных отходов включающего этапы

9

сушки древесных отходов и их прямоточной газификации Рассмотрены ос-

новные теплофизические свойства состав и строение древесины Описаны

теплофизические свойства древесных отходов как объекта сушки и представ-

лен анализ механизмов термического разложения древесины

В отношении теории теплопроводности древесина ndash сложная многофаз-

ная система с ярко выраженной анизотропией состоящая из твердой фазы ndash

скелета древесного вещества жидкой фазы ndash воды находящейся в связанном и

свободном состояниях и газообразной фазы ndash паровоздушной смеси запол-

няющей часть пор древесины которая не занята водой Материалы такого рода

в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело Коэф-

фициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую

условную величину так как передача тепла происходит всеми тремя способа-

ми ndash теплопроводностью конвекцией и излучением Через скелет древесного

вещества тепло передается теплопроводностью через поры ndash теплопроводно-

стью конвекцией и излучением одновременно при этом теплопроводность

каждого из компонентов различная Из всех компонентов древесины самую

высокую теплопроводность имеет влага поэтому коэффициент теплопровод-

ности пористых тел сильно зависит от влажности

В процессе термического разложения теплофизические свойства древе-

сины претерпевают изменения Текущая эффективная теплопроводность рас-

считывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины

угля и летучих веществ учитывающая лучистый теплообмен пор Аналогично

линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной рассчиты-

вается проницаемость частично пиролизированной древесины

Термическое разложение древесины является сложным процессом Оно

включает в себя множество физических и химических процессов таких как

теплоперенос с внутренними стоками или источниками совокупность после-

довательных экзотермических и эндотермических химических реакций сопро-

вождающихся повышением давления в материале изменением свойств мате-

риала в зависимости от степени разложения и тд

Для математического описания процессов разложения необходимо

знать константы скоростей химических реакций энергии активации и удель-

ную теплоту химических реакций Числовые значения этих параметров сильно

изменяются в зависимости от породы древесины условий разложения

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том что дре-

весина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки В

литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и мас-

сопроводные тепловые и химические характеристики древесины имеются эм-

пирические аппроксимированные зависимости теплофизических влажностных

и термодинамических химических характеристик Широко исследован меха-

низм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе

термического воздействия

В литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных по-

род освещается механизм химических преобразований а также излагаются

экспериментально-теоретические методы анализа параметров состояния дре-

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

4

Для решения данной задачи необходимо создание научно обоснованных

технологических решений позволяющих получить конечные продукты задан-

ного качества Таким образом комплексное исследование процессов сушки

высоковлажных древесных отходов и переработки их методом прямоточной

газификации разработка методов расчета и аппаратурного оформления техно-

логических процессов комплексной переработки древесных отходов является

актуальной задачей имеющей большое значение для экономики России

Диссертационная работа выполнялась в рамках государственной науч-

но- технической программы laquoКомплексное использование и воспроизводство

древесного сырьяraquo в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов

(код темы ГРНТИ 875114) а также при поддержке гранта по программе

Старт 8573р13910 и государственного контракта 16525115008 по теме

laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной переработки отхо-

дов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала и

моторного топливаraquo

Целью работы является формирование научно-обоснованных теоре-

тических предпосылок позволяющих разработать методы расчета и аппара-

турное оформление энерготехнологической переработки древесных отходов с

применением метода прямоточной газификации Для достижения поставлен-

ной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования

- идентификация физической картины процесса прямоточной газифика-

ции древесины

- разработка математической модели процесса прямоточной газифика-

ции древесины с учетом стадии предварительной сушки отходов за счет тепла

отходящих топочных газов или тепла продуктов газификации

- разработка алгоритма расчета и моделирование процесса сушки и

прямоточной газификации древесных отходов

- разработка экспериментальных стендов для исследования процесса

сушки древесных отходов отработанными топочными газами процесса прямо-

точной газификации древесины и процессов термического разложения древе-

сины в зависимости от режимных параметров

- разработка новых технических решений по совершенствованию тех-

ники и технологии сушки и прямоточной газификации древесных отходов

- разработка аппаратурного оформления новых технических решений

- выявление перспективных областей применения результатов модели-

рования и проведенных исследований

Степень разработанности проблемы

Вопросам энергетического использования древесных отходов посвяще-

ны работы следующих ученых Кислицына АН Семенова ЮП Головкова

СИ Жидкова АВ Юрьева ЮА Юдкевич ЮД В работах Пиялкина ВН

Козлова ВН Никитина НИ Богдановича НИ Сафина РР рассматриваются

термохимические методы переработки древесины Исследованием кинетиче-

ских механизмов и моделированием термического разложения органических

соединений занимались Померанцев ВВ Вандышев СС Таймаров МА

Сергеев ВВ Кузнецов ГФ Di Blasi RC Brown Теоретическим основам

5

процессов газификации посвящены работы Канторовича БВ Кузнецова ГФ

Сергеева ВВ Мингалеевой ГР Любиной ЮЛ Гроо АА

Несмотря на большое количество научных работ в области термическо-

го разложения органических соединений следует отметить что отсутствует

единая комплексная методика расчета технологий переработки широкой гам-

мы древесных отходов методом прямоточной газификации

Научная новизна

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические

решения направленные на повышение эффективности энерготехнологической

переработки отходов ЛПК

- создана обобщенная математическая модель процесса энерготехноло-

гической переработки древесных отходов прямоточной газификацией осно-

ванная на теории тепло-массопереноса осложненного параллельно протекаю-

щими химическими реакциями и общих кинетических закономерностях про-

цессов протекающих при непрерывно повышающемся термическом воздей-

ствии на древесину

- разработана методика расчета процесса предварительной сушки отхо-

дов деревообработки перед их газификацией при конвективных и кондуктив-

ных способах подвода рекуперативного тепла с технологических потоков от-

работанного топочного газа или произведенного генераторного газа

- разработаны и реализованы экспериментальные стенды для исследо-

вания совмещенного процесса сушки и термического разложения древесины в

которых применены современные средства регистрации и обработки данных

- предложена новая технология термической переработки отходов де-

ревообработки содержащих полимерные включения

- разработан способ прямоточной газификации высоковлажных отходов

позволяющий получить генераторный газ высокой теплотворной способности

- в результате исследований определен характер влияния влажности от-

ходов расхода дутьевого воздуха температуры в зоне горения и высоты зоны

восстановления на состав генераторного газа

- разработана новая технология прямоточной газификации древесных

отходов позволяющая одновременно утилизировать сдувочные газы образу-

ющиеся при переработке продуктов газификации в другие химические про-

дукты

- выявлены новые области использования результатов проведенных ис-

следований

Практическая ценность

В результате физического и математического моделирования процесса

термического разложения древесины разработаны и реализованы компьютер-

ные методики расчета процессов газификации влажных древесных отходов с

использованием бросового тепла отработанных топочных газов или продуктов

прямоточной газификации отходов деревообработки позволяющие вырабо-

тать рекомендации по выбору рациональных режимов ведения процессов и

конструктивных параметров установок

6

Разработаны высокоэффективные энергосберегающие конструкции

оборудования для осуществления процессов прямоточной газификации а так-

же рекомендации направленные на интенсификацию тепло-массообменных

процессов повышение технологических свойств продуктов термического рас-

пада древесины

Реализация работы

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при со-

здании конструкторских решений методик расчета конструкторской доку-

ментации паспортов и инструкций по эксплуатации

Внедрение установок переработки древесных отходов методом прямо-

точной газификации с общим экономическим эффектом 31 млн рублей осу-

ществлено на предприятиях ЗАО laquoЛаскрафтraquo и ООО laquoОрганикаraquo и ООО laquoСи-

риусraquo ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Макеты газификатора отходов деревообработки и узла каталитического

синтеза метанола предназначенные для отработки оптимальных режимов

производства моторного топлива в соответствии с гос контрактом

16525115008 внедрена на опытном полигоне laquoИскраraquo КНИТУ

Методика расчета процессов переработки древесных отходов различно-

го происхождения внедрены в научно-исследовательских центрах ОАО

laquoВКНИИЛПraquo ООО laquoНТЦ РТОraquo ООО laquoНПП Термодревraquo

Результаты проведенных исследований реализованы также при рекон-

струкции установки термохимической переработки твердых отходов в ОАО

laquoНижнекамскшинаraquo

Разработанные экспериментальные стенды методики исследований и

програмные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов laquoТехно-

логические процессы и оборудование деревообрабатывающих производствraquo и

laquoМатематическое моделирование процессов в деревообработкеraquo

Основные положения выносимые на защиту

Решение проблемы состоящей в создании эффективных технологий и

аппаратурном оформление процесса термической переработки высоковлаж-

ных древесных отходов и отходов деревопереработки в том числе содержа-

щих полимерные включения на основе режимных параметров и конструктив-

ных характеристик полученных в результате расчета математического описа-

ния а именно

- математическое описание технологических процессов сушки высоко-

влажных древесных отходов отработанными топочными газами и их газифи-

кации

- результаты математического моделирования и экспериментальных ис-

следований вышеуказанных процессов

- способы и конструкции установок термической переработки высоко-

влажных отходов и отходов деревопереработки содержащих полимерные

включения

- способы и конструкции установок прямоточной газификации древес-

ных отходов

7

- способы и конструкции установок конверсии отходов деревообработ-

ки в химические продукты

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на

международных симпозиумах laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo

(Казань 2005 2006 2007) на международных конференциях laquoМатематиче-

ские методы в технике и технологииraquo (Тамбов 2002 Ростов на дону 2003 Ка-

зань 2005) laquoАктуальные проблемы лесного комплексаraquo (Вологда 2008) Се-

вергеотех-2009 (Ухта 2009) laquoЭнергетика в современном миреraquo (Чита 2009)

laquoМолодые ученные в решение актуальных проблем наукиraquo (Красноярск 2004

2009) на всероссийской конференции laquoКомплексное использование вторич-

ных ресурсов и отходов (рецикл отходов)raquo (Санкт-Петербург 2011) на научно-

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo (Казань 2006) на научных сессиях по технологическим

процессам КГТУ (Казань 2004-2011)

Результаты работ экспонировались на Международной выставке науч-

но-технических достижений в Китае (Шеньян 2009) Международной специа-

лизированной выставке-форуме laquoWASMA-2007raquo Международном экологиче-

ском форуме (Санкт Петербург 2008) Экологическом форуме laquoЧеловек При-

рода Наука Техникаraquo (Казань 2006 2007) Московском международном са-

лоне инноваций и инвестиций (Москва 2005 2010) Республиканской выставке

нефтехимической индустрии laquoУрал экология -2007raquo (Уфа 2007) Междуна-

родном конкурсе laquoЭкологически безопасная продукцияraquo (Москва 2011)

Установка термической переработки древесных отходов удостоена се-

ребряных медалей на Международной выставке научно-технических достиже-

ний в Китае и на X Международном салоне инноваций и инвестиций в

Москве

Установка для пирогенетической переработки древесных отходов

награждена бронзовой медалью V Международного салона инноваций и инве-

стиций

Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в

реестр и поставщиков натуральной продукции отвечающей экологическим

требованиям (свидетельство 1076)

Публикации По результатам выполненных исследований автором

опубликовано 59 печатных работ в том числе одна монография 18 статей в

ведущих рецензируемых журналах и 10 патентов

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения шести

глав заключения списка литературы и приложений

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации определена

цель исследований отмечена научная новизна и практическая ценность рабо-

ты

В первой главе дан анализ современного состояния техники и техноло-

гии термохимической переработки древесных отходов проведен анализ суще-

8

ствующих подходов к математическому моделированию процессов термохи-

мической переработки и утилизации отходов деревообработки

Термохимические методы переработки древесных отходов делятся на

три основных направления сжигание пиролиз газификация Эти процессы

отличаются друг от друга количеством вводимого кислорода в камеру терми-

ческой переработки и температурой каждый из этих процессов имеет различ-

ное аппаратурное оформление и представляет собой совокупность весьма

сложных явлений включающих в себя множество связанных между собой

физико-механических и химических процессов таких как тепломассообмен

фазовые переходы процессы переноса в реагирующих газовых смесях и дви-

жение среды Химические процессы протекающие при термическом разложе-

нии древесины представляют собой комплекс сложных химических превра-

щений термической деструкции высокомолекулярных соединений состоящих

из множества элементарных взаимодействий

Анализ существующих технологий слоевой газификации отходов дере-

вообработки показал что газификация включает в себя взаимосвязанные про-

цессы нагрева древесных отходов их сушки пиролиза горения и химической

конверсии продуктов горения в генераторный газ Последовательность про-

цессов зависит от способа газификации который в свою очередь зависит от

требований предъявляемых к генераторному газу Для производства генера-

торного газа который непосредственно сжигается в котле утилизаторе при-

меняют противоточный или перекрестный ток При необходимости получения

более чистого генераторного газа например для сжигания в двигателях внут-

реннего сгорания либо использования в качестве химического сырья приме-

няется противоточный режим

Проведенный анализ технологических схем переработки древесных от-

ходов позволяет сделать вывод о том что для реализации в условиях малых

деревообрабатывающих предприятий в настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является технология прямоточного процесса газифи-

кации Для описания процессов протекающих при прямоточной газификации

может быть использована общая система нелинейных дифференциальных

уравнений тепло-массопереноса осложненного химическими реакциями ха-

рактеризующаяся дополнительными условиями для рассматриваемых ситуа-

ций а также различной формулировкой начальных и граничных условий Об-

щая теория переноса вещества и энергии служит теоретической основой ана-

литических и экспериментальных исследований процессов термической пере-

работки древесных частиц

Для управления процессами газификации древесных отходов с целью

получения продукт-газа с заданными свойствами необходимо детальное ис-

следование физико-химических процессов происходящих в каждой из зон га-

зификатора а также кинетики деструкции древесины при температурном воз-

действия

Во второй главе диссертации приведена формализация свойств древе-

сины существенных для математического описания процесса комплексной

энерготехнологической переработки древесных отходов включающего этапы

9

сушки древесных отходов и их прямоточной газификации Рассмотрены ос-

новные теплофизические свойства состав и строение древесины Описаны

теплофизические свойства древесных отходов как объекта сушки и представ-

лен анализ механизмов термического разложения древесины

В отношении теории теплопроводности древесина ndash сложная многофаз-

ная система с ярко выраженной анизотропией состоящая из твердой фазы ndash

скелета древесного вещества жидкой фазы ndash воды находящейся в связанном и

свободном состояниях и газообразной фазы ndash паровоздушной смеси запол-

няющей часть пор древесины которая не занята водой Материалы такого рода

в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело Коэф-

фициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую

условную величину так как передача тепла происходит всеми тремя способа-

ми ndash теплопроводностью конвекцией и излучением Через скелет древесного

вещества тепло передается теплопроводностью через поры ndash теплопроводно-

стью конвекцией и излучением одновременно при этом теплопроводность

каждого из компонентов различная Из всех компонентов древесины самую

высокую теплопроводность имеет влага поэтому коэффициент теплопровод-

ности пористых тел сильно зависит от влажности

В процессе термического разложения теплофизические свойства древе-

сины претерпевают изменения Текущая эффективная теплопроводность рас-

считывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины

угля и летучих веществ учитывающая лучистый теплообмен пор Аналогично

линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной рассчиты-

вается проницаемость частично пиролизированной древесины

Термическое разложение древесины является сложным процессом Оно

включает в себя множество физических и химических процессов таких как

теплоперенос с внутренними стоками или источниками совокупность после-

довательных экзотермических и эндотермических химических реакций сопро-

вождающихся повышением давления в материале изменением свойств мате-

риала в зависимости от степени разложения и тд

Для математического описания процессов разложения необходимо

знать константы скоростей химических реакций энергии активации и удель-

ную теплоту химических реакций Числовые значения этих параметров сильно

изменяются в зависимости от породы древесины условий разложения

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том что дре-

весина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки В

литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и мас-

сопроводные тепловые и химические характеристики древесины имеются эм-

пирические аппроксимированные зависимости теплофизических влажностных

и термодинамических химических характеристик Широко исследован меха-

низм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе

термического воздействия

В литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных по-

род освещается механизм химических преобразований а также излагаются

экспериментально-теоретические методы анализа параметров состояния дре-

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

5

процессов газификации посвящены работы Канторовича БВ Кузнецова ГФ

Сергеева ВВ Мингалеевой ГР Любиной ЮЛ Гроо АА

Несмотря на большое количество научных работ в области термическо-

го разложения органических соединений следует отметить что отсутствует

единая комплексная методика расчета технологий переработки широкой гам-

мы древесных отходов методом прямоточной газификации

Научная новизна

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические

решения направленные на повышение эффективности энерготехнологической

переработки отходов ЛПК

- создана обобщенная математическая модель процесса энерготехноло-

гической переработки древесных отходов прямоточной газификацией осно-

ванная на теории тепло-массопереноса осложненного параллельно протекаю-

щими химическими реакциями и общих кинетических закономерностях про-

цессов протекающих при непрерывно повышающемся термическом воздей-

ствии на древесину

- разработана методика расчета процесса предварительной сушки отхо-

дов деревообработки перед их газификацией при конвективных и кондуктив-

ных способах подвода рекуперативного тепла с технологических потоков от-

работанного топочного газа или произведенного генераторного газа

- разработаны и реализованы экспериментальные стенды для исследо-

вания совмещенного процесса сушки и термического разложения древесины в

которых применены современные средства регистрации и обработки данных

- предложена новая технология термической переработки отходов де-

ревообработки содержащих полимерные включения

- разработан способ прямоточной газификации высоковлажных отходов

позволяющий получить генераторный газ высокой теплотворной способности

- в результате исследований определен характер влияния влажности от-

ходов расхода дутьевого воздуха температуры в зоне горения и высоты зоны

восстановления на состав генераторного газа

- разработана новая технология прямоточной газификации древесных

отходов позволяющая одновременно утилизировать сдувочные газы образу-

ющиеся при переработке продуктов газификации в другие химические про-

дукты

- выявлены новые области использования результатов проведенных ис-

следований

Практическая ценность

В результате физического и математического моделирования процесса

термического разложения древесины разработаны и реализованы компьютер-

ные методики расчета процессов газификации влажных древесных отходов с

использованием бросового тепла отработанных топочных газов или продуктов

прямоточной газификации отходов деревообработки позволяющие вырабо-

тать рекомендации по выбору рациональных режимов ведения процессов и

конструктивных параметров установок

6

Разработаны высокоэффективные энергосберегающие конструкции

оборудования для осуществления процессов прямоточной газификации а так-

же рекомендации направленные на интенсификацию тепло-массообменных

процессов повышение технологических свойств продуктов термического рас-

пада древесины

Реализация работы

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при со-

здании конструкторских решений методик расчета конструкторской доку-

ментации паспортов и инструкций по эксплуатации

Внедрение установок переработки древесных отходов методом прямо-

точной газификации с общим экономическим эффектом 31 млн рублей осу-

ществлено на предприятиях ЗАО laquoЛаскрафтraquo и ООО laquoОрганикаraquo и ООО laquoСи-

риусraquo ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Макеты газификатора отходов деревообработки и узла каталитического

синтеза метанола предназначенные для отработки оптимальных режимов

производства моторного топлива в соответствии с гос контрактом

16525115008 внедрена на опытном полигоне laquoИскраraquo КНИТУ

Методика расчета процессов переработки древесных отходов различно-

го происхождения внедрены в научно-исследовательских центрах ОАО

laquoВКНИИЛПraquo ООО laquoНТЦ РТОraquo ООО laquoНПП Термодревraquo

Результаты проведенных исследований реализованы также при рекон-

струкции установки термохимической переработки твердых отходов в ОАО

laquoНижнекамскшинаraquo

Разработанные экспериментальные стенды методики исследований и

програмные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов laquoТехно-

логические процессы и оборудование деревообрабатывающих производствraquo и

laquoМатематическое моделирование процессов в деревообработкеraquo

Основные положения выносимые на защиту

Решение проблемы состоящей в создании эффективных технологий и

аппаратурном оформление процесса термической переработки высоковлаж-

ных древесных отходов и отходов деревопереработки в том числе содержа-

щих полимерные включения на основе режимных параметров и конструктив-

ных характеристик полученных в результате расчета математического описа-

ния а именно

- математическое описание технологических процессов сушки высоко-

влажных древесных отходов отработанными топочными газами и их газифи-

кации

- результаты математического моделирования и экспериментальных ис-

следований вышеуказанных процессов

- способы и конструкции установок термической переработки высоко-

влажных отходов и отходов деревопереработки содержащих полимерные

включения

- способы и конструкции установок прямоточной газификации древес-

ных отходов

7

- способы и конструкции установок конверсии отходов деревообработ-

ки в химические продукты

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на

международных симпозиумах laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo

(Казань 2005 2006 2007) на международных конференциях laquoМатематиче-

ские методы в технике и технологииraquo (Тамбов 2002 Ростов на дону 2003 Ка-

зань 2005) laquoАктуальные проблемы лесного комплексаraquo (Вологда 2008) Се-

вергеотех-2009 (Ухта 2009) laquoЭнергетика в современном миреraquo (Чита 2009)

laquoМолодые ученные в решение актуальных проблем наукиraquo (Красноярск 2004

2009) на всероссийской конференции laquoКомплексное использование вторич-

ных ресурсов и отходов (рецикл отходов)raquo (Санкт-Петербург 2011) на научно-

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo (Казань 2006) на научных сессиях по технологическим

процессам КГТУ (Казань 2004-2011)

Результаты работ экспонировались на Международной выставке науч-

но-технических достижений в Китае (Шеньян 2009) Международной специа-

лизированной выставке-форуме laquoWASMA-2007raquo Международном экологиче-

ском форуме (Санкт Петербург 2008) Экологическом форуме laquoЧеловек При-

рода Наука Техникаraquo (Казань 2006 2007) Московском международном са-

лоне инноваций и инвестиций (Москва 2005 2010) Республиканской выставке

нефтехимической индустрии laquoУрал экология -2007raquo (Уфа 2007) Междуна-

родном конкурсе laquoЭкологически безопасная продукцияraquo (Москва 2011)

Установка термической переработки древесных отходов удостоена се-

ребряных медалей на Международной выставке научно-технических достиже-

ний в Китае и на X Международном салоне инноваций и инвестиций в

Москве

Установка для пирогенетической переработки древесных отходов

награждена бронзовой медалью V Международного салона инноваций и инве-

стиций

Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в

реестр и поставщиков натуральной продукции отвечающей экологическим

требованиям (свидетельство 1076)

Публикации По результатам выполненных исследований автором

опубликовано 59 печатных работ в том числе одна монография 18 статей в

ведущих рецензируемых журналах и 10 патентов

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения шести

глав заключения списка литературы и приложений

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации определена

цель исследований отмечена научная новизна и практическая ценность рабо-

ты

В первой главе дан анализ современного состояния техники и техноло-

гии термохимической переработки древесных отходов проведен анализ суще-

8

ствующих подходов к математическому моделированию процессов термохи-

мической переработки и утилизации отходов деревообработки

Термохимические методы переработки древесных отходов делятся на

три основных направления сжигание пиролиз газификация Эти процессы

отличаются друг от друга количеством вводимого кислорода в камеру терми-

ческой переработки и температурой каждый из этих процессов имеет различ-

ное аппаратурное оформление и представляет собой совокупность весьма

сложных явлений включающих в себя множество связанных между собой

физико-механических и химических процессов таких как тепломассообмен

фазовые переходы процессы переноса в реагирующих газовых смесях и дви-

жение среды Химические процессы протекающие при термическом разложе-

нии древесины представляют собой комплекс сложных химических превра-

щений термической деструкции высокомолекулярных соединений состоящих

из множества элементарных взаимодействий

Анализ существующих технологий слоевой газификации отходов дере-

вообработки показал что газификация включает в себя взаимосвязанные про-

цессы нагрева древесных отходов их сушки пиролиза горения и химической

конверсии продуктов горения в генераторный газ Последовательность про-

цессов зависит от способа газификации который в свою очередь зависит от

требований предъявляемых к генераторному газу Для производства генера-

торного газа который непосредственно сжигается в котле утилизаторе при-

меняют противоточный или перекрестный ток При необходимости получения

более чистого генераторного газа например для сжигания в двигателях внут-

реннего сгорания либо использования в качестве химического сырья приме-

няется противоточный режим

Проведенный анализ технологических схем переработки древесных от-

ходов позволяет сделать вывод о том что для реализации в условиях малых

деревообрабатывающих предприятий в настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является технология прямоточного процесса газифи-

кации Для описания процессов протекающих при прямоточной газификации

может быть использована общая система нелинейных дифференциальных

уравнений тепло-массопереноса осложненного химическими реакциями ха-

рактеризующаяся дополнительными условиями для рассматриваемых ситуа-

ций а также различной формулировкой начальных и граничных условий Об-

щая теория переноса вещества и энергии служит теоретической основой ана-

литических и экспериментальных исследований процессов термической пере-

работки древесных частиц

Для управления процессами газификации древесных отходов с целью

получения продукт-газа с заданными свойствами необходимо детальное ис-

следование физико-химических процессов происходящих в каждой из зон га-

зификатора а также кинетики деструкции древесины при температурном воз-

действия

Во второй главе диссертации приведена формализация свойств древе-

сины существенных для математического описания процесса комплексной

энерготехнологической переработки древесных отходов включающего этапы

9

сушки древесных отходов и их прямоточной газификации Рассмотрены ос-

новные теплофизические свойства состав и строение древесины Описаны

теплофизические свойства древесных отходов как объекта сушки и представ-

лен анализ механизмов термического разложения древесины

В отношении теории теплопроводности древесина ndash сложная многофаз-

ная система с ярко выраженной анизотропией состоящая из твердой фазы ndash

скелета древесного вещества жидкой фазы ndash воды находящейся в связанном и

свободном состояниях и газообразной фазы ndash паровоздушной смеси запол-

няющей часть пор древесины которая не занята водой Материалы такого рода

в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело Коэф-

фициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую

условную величину так как передача тепла происходит всеми тремя способа-

ми ndash теплопроводностью конвекцией и излучением Через скелет древесного

вещества тепло передается теплопроводностью через поры ndash теплопроводно-

стью конвекцией и излучением одновременно при этом теплопроводность

каждого из компонентов различная Из всех компонентов древесины самую

высокую теплопроводность имеет влага поэтому коэффициент теплопровод-

ности пористых тел сильно зависит от влажности

В процессе термического разложения теплофизические свойства древе-

сины претерпевают изменения Текущая эффективная теплопроводность рас-

считывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины

угля и летучих веществ учитывающая лучистый теплообмен пор Аналогично

линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной рассчиты-

вается проницаемость частично пиролизированной древесины

Термическое разложение древесины является сложным процессом Оно

включает в себя множество физических и химических процессов таких как

теплоперенос с внутренними стоками или источниками совокупность после-

довательных экзотермических и эндотермических химических реакций сопро-

вождающихся повышением давления в материале изменением свойств мате-

риала в зависимости от степени разложения и тд

Для математического описания процессов разложения необходимо

знать константы скоростей химических реакций энергии активации и удель-

ную теплоту химических реакций Числовые значения этих параметров сильно

изменяются в зависимости от породы древесины условий разложения

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том что дре-

весина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки В

литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и мас-

сопроводные тепловые и химические характеристики древесины имеются эм-

пирические аппроксимированные зависимости теплофизических влажностных

и термодинамических химических характеристик Широко исследован меха-

низм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе

термического воздействия

В литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных по-

род освещается механизм химических преобразований а также излагаются

экспериментально-теоретические методы анализа параметров состояния дре-

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

6

Разработаны высокоэффективные энергосберегающие конструкции

оборудования для осуществления процессов прямоточной газификации а так-

же рекомендации направленные на интенсификацию тепло-массообменных

процессов повышение технологических свойств продуктов термического рас-

пада древесины

Реализация работы

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при со-

здании конструкторских решений методик расчета конструкторской доку-

ментации паспортов и инструкций по эксплуатации

Внедрение установок переработки древесных отходов методом прямо-

точной газификации с общим экономическим эффектом 31 млн рублей осу-

ществлено на предприятиях ЗАО laquoЛаскрафтraquo и ООО laquoОрганикаraquo и ООО laquoСи-

риусraquo ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Макеты газификатора отходов деревообработки и узла каталитического

синтеза метанола предназначенные для отработки оптимальных режимов

производства моторного топлива в соответствии с гос контрактом

16525115008 внедрена на опытном полигоне laquoИскраraquo КНИТУ

Методика расчета процессов переработки древесных отходов различно-

го происхождения внедрены в научно-исследовательских центрах ОАО

laquoВКНИИЛПraquo ООО laquoНТЦ РТОraquo ООО laquoНПП Термодревraquo

Результаты проведенных исследований реализованы также при рекон-

струкции установки термохимической переработки твердых отходов в ОАО

laquoНижнекамскшинаraquo

Разработанные экспериментальные стенды методики исследований и

програмные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов laquoТехно-

логические процессы и оборудование деревообрабатывающих производствraquo и

laquoМатематическое моделирование процессов в деревообработкеraquo

Основные положения выносимые на защиту

Решение проблемы состоящей в создании эффективных технологий и

аппаратурном оформление процесса термической переработки высоковлаж-

ных древесных отходов и отходов деревопереработки в том числе содержа-

щих полимерные включения на основе режимных параметров и конструктив-

ных характеристик полученных в результате расчета математического описа-

ния а именно

- математическое описание технологических процессов сушки высоко-

влажных древесных отходов отработанными топочными газами и их газифи-

кации

- результаты математического моделирования и экспериментальных ис-

следований вышеуказанных процессов

- способы и конструкции установок термической переработки высоко-

влажных отходов и отходов деревопереработки содержащих полимерные

включения

- способы и конструкции установок прямоточной газификации древес-

ных отходов

7

- способы и конструкции установок конверсии отходов деревообработ-

ки в химические продукты

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на

международных симпозиумах laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo

(Казань 2005 2006 2007) на международных конференциях laquoМатематиче-

ские методы в технике и технологииraquo (Тамбов 2002 Ростов на дону 2003 Ка-

зань 2005) laquoАктуальные проблемы лесного комплексаraquo (Вологда 2008) Се-

вергеотех-2009 (Ухта 2009) laquoЭнергетика в современном миреraquo (Чита 2009)

laquoМолодые ученные в решение актуальных проблем наукиraquo (Красноярск 2004

2009) на всероссийской конференции laquoКомплексное использование вторич-

ных ресурсов и отходов (рецикл отходов)raquo (Санкт-Петербург 2011) на научно-

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo (Казань 2006) на научных сессиях по технологическим

процессам КГТУ (Казань 2004-2011)

Результаты работ экспонировались на Международной выставке науч-

но-технических достижений в Китае (Шеньян 2009) Международной специа-

лизированной выставке-форуме laquoWASMA-2007raquo Международном экологиче-

ском форуме (Санкт Петербург 2008) Экологическом форуме laquoЧеловек При-

рода Наука Техникаraquo (Казань 2006 2007) Московском международном са-

лоне инноваций и инвестиций (Москва 2005 2010) Республиканской выставке

нефтехимической индустрии laquoУрал экология -2007raquo (Уфа 2007) Междуна-

родном конкурсе laquoЭкологически безопасная продукцияraquo (Москва 2011)

Установка термической переработки древесных отходов удостоена се-

ребряных медалей на Международной выставке научно-технических достиже-

ний в Китае и на X Международном салоне инноваций и инвестиций в

Москве

Установка для пирогенетической переработки древесных отходов

награждена бронзовой медалью V Международного салона инноваций и инве-

стиций

Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в

реестр и поставщиков натуральной продукции отвечающей экологическим

требованиям (свидетельство 1076)

Публикации По результатам выполненных исследований автором

опубликовано 59 печатных работ в том числе одна монография 18 статей в

ведущих рецензируемых журналах и 10 патентов

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения шести

глав заключения списка литературы и приложений

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации определена

цель исследований отмечена научная новизна и практическая ценность рабо-

ты

В первой главе дан анализ современного состояния техники и техноло-

гии термохимической переработки древесных отходов проведен анализ суще-

8

ствующих подходов к математическому моделированию процессов термохи-

мической переработки и утилизации отходов деревообработки

Термохимические методы переработки древесных отходов делятся на

три основных направления сжигание пиролиз газификация Эти процессы

отличаются друг от друга количеством вводимого кислорода в камеру терми-

ческой переработки и температурой каждый из этих процессов имеет различ-

ное аппаратурное оформление и представляет собой совокупность весьма

сложных явлений включающих в себя множество связанных между собой

физико-механических и химических процессов таких как тепломассообмен

фазовые переходы процессы переноса в реагирующих газовых смесях и дви-

жение среды Химические процессы протекающие при термическом разложе-

нии древесины представляют собой комплекс сложных химических превра-

щений термической деструкции высокомолекулярных соединений состоящих

из множества элементарных взаимодействий

Анализ существующих технологий слоевой газификации отходов дере-

вообработки показал что газификация включает в себя взаимосвязанные про-

цессы нагрева древесных отходов их сушки пиролиза горения и химической

конверсии продуктов горения в генераторный газ Последовательность про-

цессов зависит от способа газификации который в свою очередь зависит от

требований предъявляемых к генераторному газу Для производства генера-

торного газа который непосредственно сжигается в котле утилизаторе при-

меняют противоточный или перекрестный ток При необходимости получения

более чистого генераторного газа например для сжигания в двигателях внут-

реннего сгорания либо использования в качестве химического сырья приме-

няется противоточный режим

Проведенный анализ технологических схем переработки древесных от-

ходов позволяет сделать вывод о том что для реализации в условиях малых

деревообрабатывающих предприятий в настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является технология прямоточного процесса газифи-

кации Для описания процессов протекающих при прямоточной газификации

может быть использована общая система нелинейных дифференциальных

уравнений тепло-массопереноса осложненного химическими реакциями ха-

рактеризующаяся дополнительными условиями для рассматриваемых ситуа-

ций а также различной формулировкой начальных и граничных условий Об-

щая теория переноса вещества и энергии служит теоретической основой ана-

литических и экспериментальных исследований процессов термической пере-

работки древесных частиц

Для управления процессами газификации древесных отходов с целью

получения продукт-газа с заданными свойствами необходимо детальное ис-

следование физико-химических процессов происходящих в каждой из зон га-

зификатора а также кинетики деструкции древесины при температурном воз-

действия

Во второй главе диссертации приведена формализация свойств древе-

сины существенных для математического описания процесса комплексной

энерготехнологической переработки древесных отходов включающего этапы

9

сушки древесных отходов и их прямоточной газификации Рассмотрены ос-

новные теплофизические свойства состав и строение древесины Описаны

теплофизические свойства древесных отходов как объекта сушки и представ-

лен анализ механизмов термического разложения древесины

В отношении теории теплопроводности древесина ndash сложная многофаз-

ная система с ярко выраженной анизотропией состоящая из твердой фазы ndash

скелета древесного вещества жидкой фазы ndash воды находящейся в связанном и

свободном состояниях и газообразной фазы ndash паровоздушной смеси запол-

няющей часть пор древесины которая не занята водой Материалы такого рода

в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело Коэф-

фициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую

условную величину так как передача тепла происходит всеми тремя способа-

ми ndash теплопроводностью конвекцией и излучением Через скелет древесного

вещества тепло передается теплопроводностью через поры ndash теплопроводно-

стью конвекцией и излучением одновременно при этом теплопроводность

каждого из компонентов различная Из всех компонентов древесины самую

высокую теплопроводность имеет влага поэтому коэффициент теплопровод-

ности пористых тел сильно зависит от влажности

В процессе термического разложения теплофизические свойства древе-

сины претерпевают изменения Текущая эффективная теплопроводность рас-

считывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины

угля и летучих веществ учитывающая лучистый теплообмен пор Аналогично

линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной рассчиты-

вается проницаемость частично пиролизированной древесины

Термическое разложение древесины является сложным процессом Оно

включает в себя множество физических и химических процессов таких как

теплоперенос с внутренними стоками или источниками совокупность после-

довательных экзотермических и эндотермических химических реакций сопро-

вождающихся повышением давления в материале изменением свойств мате-

риала в зависимости от степени разложения и тд

Для математического описания процессов разложения необходимо

знать константы скоростей химических реакций энергии активации и удель-

ную теплоту химических реакций Числовые значения этих параметров сильно

изменяются в зависимости от породы древесины условий разложения

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том что дре-

весина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки В

литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и мас-

сопроводные тепловые и химические характеристики древесины имеются эм-

пирические аппроксимированные зависимости теплофизических влажностных

и термодинамических химических характеристик Широко исследован меха-

низм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе

термического воздействия

В литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных по-

род освещается механизм химических преобразований а также излагаются

экспериментально-теоретические методы анализа параметров состояния дре-

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

7

- способы и конструкции установок конверсии отходов деревообработ-

ки в химические продукты

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на

международных симпозиумах laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo

(Казань 2005 2006 2007) на международных конференциях laquoМатематиче-

ские методы в технике и технологииraquo (Тамбов 2002 Ростов на дону 2003 Ка-

зань 2005) laquoАктуальные проблемы лесного комплексаraquo (Вологда 2008) Се-

вергеотех-2009 (Ухта 2009) laquoЭнергетика в современном миреraquo (Чита 2009)

laquoМолодые ученные в решение актуальных проблем наукиraquo (Красноярск 2004

2009) на всероссийской конференции laquoКомплексное использование вторич-

ных ресурсов и отходов (рецикл отходов)raquo (Санкт-Петербург 2011) на научно-

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo (Казань 2006) на научных сессиях по технологическим

процессам КГТУ (Казань 2004-2011)

Результаты работ экспонировались на Международной выставке науч-

но-технических достижений в Китае (Шеньян 2009) Международной специа-

лизированной выставке-форуме laquoWASMA-2007raquo Международном экологиче-

ском форуме (Санкт Петербург 2008) Экологическом форуме laquoЧеловек При-

рода Наука Техникаraquo (Казань 2006 2007) Московском международном са-

лоне инноваций и инвестиций (Москва 2005 2010) Республиканской выставке

нефтехимической индустрии laquoУрал экология -2007raquo (Уфа 2007) Междуна-

родном конкурсе laquoЭкологически безопасная продукцияraquo (Москва 2011)

Установка термической переработки древесных отходов удостоена се-

ребряных медалей на Международной выставке научно-технических достиже-

ний в Китае и на X Международном салоне инноваций и инвестиций в

Москве

Установка для пирогенетической переработки древесных отходов

награждена бронзовой медалью V Международного салона инноваций и инве-

стиций

Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в

реестр и поставщиков натуральной продукции отвечающей экологическим

требованиям (свидетельство 1076)

Публикации По результатам выполненных исследований автором

опубликовано 59 печатных работ в том числе одна монография 18 статей в

ведущих рецензируемых журналах и 10 патентов

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения шести

глав заключения списка литературы и приложений

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации определена

цель исследований отмечена научная новизна и практическая ценность рабо-

ты

В первой главе дан анализ современного состояния техники и техноло-

гии термохимической переработки древесных отходов проведен анализ суще-

8

ствующих подходов к математическому моделированию процессов термохи-

мической переработки и утилизации отходов деревообработки

Термохимические методы переработки древесных отходов делятся на

три основных направления сжигание пиролиз газификация Эти процессы

отличаются друг от друга количеством вводимого кислорода в камеру терми-

ческой переработки и температурой каждый из этих процессов имеет различ-

ное аппаратурное оформление и представляет собой совокупность весьма

сложных явлений включающих в себя множество связанных между собой

физико-механических и химических процессов таких как тепломассообмен

фазовые переходы процессы переноса в реагирующих газовых смесях и дви-

жение среды Химические процессы протекающие при термическом разложе-

нии древесины представляют собой комплекс сложных химических превра-

щений термической деструкции высокомолекулярных соединений состоящих

из множества элементарных взаимодействий

Анализ существующих технологий слоевой газификации отходов дере-

вообработки показал что газификация включает в себя взаимосвязанные про-

цессы нагрева древесных отходов их сушки пиролиза горения и химической

конверсии продуктов горения в генераторный газ Последовательность про-

цессов зависит от способа газификации который в свою очередь зависит от

требований предъявляемых к генераторному газу Для производства генера-

торного газа который непосредственно сжигается в котле утилизаторе при-

меняют противоточный или перекрестный ток При необходимости получения

более чистого генераторного газа например для сжигания в двигателях внут-

реннего сгорания либо использования в качестве химического сырья приме-

няется противоточный режим

Проведенный анализ технологических схем переработки древесных от-

ходов позволяет сделать вывод о том что для реализации в условиях малых

деревообрабатывающих предприятий в настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является технология прямоточного процесса газифи-

кации Для описания процессов протекающих при прямоточной газификации

может быть использована общая система нелинейных дифференциальных

уравнений тепло-массопереноса осложненного химическими реакциями ха-

рактеризующаяся дополнительными условиями для рассматриваемых ситуа-

ций а также различной формулировкой начальных и граничных условий Об-

щая теория переноса вещества и энергии служит теоретической основой ана-

литических и экспериментальных исследований процессов термической пере-

работки древесных частиц

Для управления процессами газификации древесных отходов с целью

получения продукт-газа с заданными свойствами необходимо детальное ис-

следование физико-химических процессов происходящих в каждой из зон га-

зификатора а также кинетики деструкции древесины при температурном воз-

действия

Во второй главе диссертации приведена формализация свойств древе-

сины существенных для математического описания процесса комплексной

энерготехнологической переработки древесных отходов включающего этапы

9

сушки древесных отходов и их прямоточной газификации Рассмотрены ос-

новные теплофизические свойства состав и строение древесины Описаны

теплофизические свойства древесных отходов как объекта сушки и представ-

лен анализ механизмов термического разложения древесины

В отношении теории теплопроводности древесина ndash сложная многофаз-

ная система с ярко выраженной анизотропией состоящая из твердой фазы ndash

скелета древесного вещества жидкой фазы ndash воды находящейся в связанном и

свободном состояниях и газообразной фазы ndash паровоздушной смеси запол-

няющей часть пор древесины которая не занята водой Материалы такого рода

в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело Коэф-

фициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую

условную величину так как передача тепла происходит всеми тремя способа-

ми ndash теплопроводностью конвекцией и излучением Через скелет древесного

вещества тепло передается теплопроводностью через поры ndash теплопроводно-

стью конвекцией и излучением одновременно при этом теплопроводность

каждого из компонентов различная Из всех компонентов древесины самую

высокую теплопроводность имеет влага поэтому коэффициент теплопровод-

ности пористых тел сильно зависит от влажности

В процессе термического разложения теплофизические свойства древе-

сины претерпевают изменения Текущая эффективная теплопроводность рас-

считывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины

угля и летучих веществ учитывающая лучистый теплообмен пор Аналогично

линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной рассчиты-

вается проницаемость частично пиролизированной древесины

Термическое разложение древесины является сложным процессом Оно

включает в себя множество физических и химических процессов таких как

теплоперенос с внутренними стоками или источниками совокупность после-

довательных экзотермических и эндотермических химических реакций сопро-

вождающихся повышением давления в материале изменением свойств мате-

риала в зависимости от степени разложения и тд

Для математического описания процессов разложения необходимо

знать константы скоростей химических реакций энергии активации и удель-

ную теплоту химических реакций Числовые значения этих параметров сильно

изменяются в зависимости от породы древесины условий разложения

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том что дре-

весина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки В

литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и мас-

сопроводные тепловые и химические характеристики древесины имеются эм-

пирические аппроксимированные зависимости теплофизических влажностных

и термодинамических химических характеристик Широко исследован меха-

низм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе

термического воздействия

В литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных по-

род освещается механизм химических преобразований а также излагаются

экспериментально-теоретические методы анализа параметров состояния дре-

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

8

ствующих подходов к математическому моделированию процессов термохи-

мической переработки и утилизации отходов деревообработки

Термохимические методы переработки древесных отходов делятся на

три основных направления сжигание пиролиз газификация Эти процессы

отличаются друг от друга количеством вводимого кислорода в камеру терми-

ческой переработки и температурой каждый из этих процессов имеет различ-

ное аппаратурное оформление и представляет собой совокупность весьма

сложных явлений включающих в себя множество связанных между собой

физико-механических и химических процессов таких как тепломассообмен

фазовые переходы процессы переноса в реагирующих газовых смесях и дви-

жение среды Химические процессы протекающие при термическом разложе-

нии древесины представляют собой комплекс сложных химических превра-

щений термической деструкции высокомолекулярных соединений состоящих

из множества элементарных взаимодействий

Анализ существующих технологий слоевой газификации отходов дере-

вообработки показал что газификация включает в себя взаимосвязанные про-

цессы нагрева древесных отходов их сушки пиролиза горения и химической

конверсии продуктов горения в генераторный газ Последовательность про-

цессов зависит от способа газификации который в свою очередь зависит от

требований предъявляемых к генераторному газу Для производства генера-

торного газа который непосредственно сжигается в котле утилизаторе при-

меняют противоточный или перекрестный ток При необходимости получения

более чистого генераторного газа например для сжигания в двигателях внут-

реннего сгорания либо использования в качестве химического сырья приме-

няется противоточный режим

Проведенный анализ технологических схем переработки древесных от-

ходов позволяет сделать вывод о том что для реализации в условиях малых

деревообрабатывающих предприятий в настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является технология прямоточного процесса газифи-

кации Для описания процессов протекающих при прямоточной газификации

может быть использована общая система нелинейных дифференциальных

уравнений тепло-массопереноса осложненного химическими реакциями ха-

рактеризующаяся дополнительными условиями для рассматриваемых ситуа-

ций а также различной формулировкой начальных и граничных условий Об-

щая теория переноса вещества и энергии служит теоретической основой ана-

литических и экспериментальных исследований процессов термической пере-

работки древесных частиц

Для управления процессами газификации древесных отходов с целью

получения продукт-газа с заданными свойствами необходимо детальное ис-

следование физико-химических процессов происходящих в каждой из зон га-

зификатора а также кинетики деструкции древесины при температурном воз-

действия

Во второй главе диссертации приведена формализация свойств древе-

сины существенных для математического описания процесса комплексной

энерготехнологической переработки древесных отходов включающего этапы

9

сушки древесных отходов и их прямоточной газификации Рассмотрены ос-

новные теплофизические свойства состав и строение древесины Описаны

теплофизические свойства древесных отходов как объекта сушки и представ-

лен анализ механизмов термического разложения древесины

В отношении теории теплопроводности древесина ndash сложная многофаз-

ная система с ярко выраженной анизотропией состоящая из твердой фазы ndash

скелета древесного вещества жидкой фазы ndash воды находящейся в связанном и

свободном состояниях и газообразной фазы ndash паровоздушной смеси запол-

няющей часть пор древесины которая не занята водой Материалы такого рода

в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело Коэф-

фициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую

условную величину так как передача тепла происходит всеми тремя способа-

ми ndash теплопроводностью конвекцией и излучением Через скелет древесного

вещества тепло передается теплопроводностью через поры ndash теплопроводно-

стью конвекцией и излучением одновременно при этом теплопроводность

каждого из компонентов различная Из всех компонентов древесины самую

высокую теплопроводность имеет влага поэтому коэффициент теплопровод-

ности пористых тел сильно зависит от влажности

В процессе термического разложения теплофизические свойства древе-

сины претерпевают изменения Текущая эффективная теплопроводность рас-

считывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины

угля и летучих веществ учитывающая лучистый теплообмен пор Аналогично

линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной рассчиты-

вается проницаемость частично пиролизированной древесины

Термическое разложение древесины является сложным процессом Оно

включает в себя множество физических и химических процессов таких как

теплоперенос с внутренними стоками или источниками совокупность после-

довательных экзотермических и эндотермических химических реакций сопро-

вождающихся повышением давления в материале изменением свойств мате-

риала в зависимости от степени разложения и тд

Для математического описания процессов разложения необходимо

знать константы скоростей химических реакций энергии активации и удель-

ную теплоту химических реакций Числовые значения этих параметров сильно

изменяются в зависимости от породы древесины условий разложения

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том что дре-

весина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки В

литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и мас-

сопроводные тепловые и химические характеристики древесины имеются эм-

пирические аппроксимированные зависимости теплофизических влажностных

и термодинамических химических характеристик Широко исследован меха-

низм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе

термического воздействия

В литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных по-

род освещается механизм химических преобразований а также излагаются

экспериментально-теоретические методы анализа параметров состояния дре-

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

9

сушки древесных отходов и их прямоточной газификации Рассмотрены ос-

новные теплофизические свойства состав и строение древесины Описаны

теплофизические свойства древесных отходов как объекта сушки и представ-

лен анализ механизмов термического разложения древесины

В отношении теории теплопроводности древесина ndash сложная многофаз-

ная система с ярко выраженной анизотропией состоящая из твердой фазы ndash

скелета древесного вещества жидкой фазы ndash воды находящейся в связанном и

свободном состояниях и газообразной фазы ndash паровоздушной смеси запол-

няющей часть пор древесины которая не занята водой Материалы такого рода

в отношении теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело Коэф-

фициент теплопроводности в этом случае представляет собой некоторую

условную величину так как передача тепла происходит всеми тремя способа-

ми ndash теплопроводностью конвекцией и излучением Через скелет древесного

вещества тепло передается теплопроводностью через поры ndash теплопроводно-

стью конвекцией и излучением одновременно при этом теплопроводность

каждого из компонентов различная Из всех компонентов древесины самую

высокую теплопроводность имеет влага поэтому коэффициент теплопровод-

ности пористых тел сильно зависит от влажности

В процессе термического разложения теплофизические свойства древе-

сины претерпевают изменения Текущая эффективная теплопроводность рас-

считывается как взвешенная сумма проводимостей натуральной древесины

угля и летучих веществ учитывающая лучистый теплообмен пор Аналогично

линейной интерполяцией между углем и натуральной древесиной рассчиты-

вается проницаемость частично пиролизированной древесины

Термическое разложение древесины является сложным процессом Оно

включает в себя множество физических и химических процессов таких как

теплоперенос с внутренними стоками или источниками совокупность после-

довательных экзотермических и эндотермических химических реакций сопро-

вождающихся повышением давления в материале изменением свойств мате-

риала в зависимости от степени разложения и тд

Для математического описания процессов разложения необходимо

знать константы скоростей химических реакций энергии активации и удель-

ную теплоту химических реакций Числовые значения этих параметров сильно

изменяются в зависимости от породы древесины условий разложения

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том что дре-

весина достаточно хорошо изучена как объект термической переработки В

литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и мас-

сопроводные тепловые и химические характеристики древесины имеются эм-

пирические аппроксимированные зависимости теплофизических влажностных

и термодинамических химических характеристик Широко исследован меха-

низм переноса компонентов в древесине и углеродистом веществе в процессе

термического воздействия

В литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных по-

род освещается механизм химических преобразований а также излагаются

экспериментально-теоретические методы анализа параметров состояния дре-

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

10

весины во время термического воздействия

Таким образом на базе современных представлений о влиянии темпера-

туры на свойства древесины о тепломассопереносе осложненном параллель-

но протекающими химическими реакциями а также сорбционно-

кинетических тепловых и массопроводных и химических свойствах древеси-

ны представляется целесообразным исследование процесса комплексной энер-

готехнологической переработки древесных отходов

В третьей главе рассмотрена физическая картина процесса энерготех-

нологической переработки высоковлажных древесных отходов с предвари-

тельной сушкой методом прямоточной газификации представленная на рис 1

Рис 1 Структурная схема энерготехнологического комплекса переработки древесных отходов с применением прямоточной газификации

Согласно данной схеме древесные отходы поступают в камеру предва-

рительной сушки 1 Затем высушенные отходы делятся на два потока основ-

ная часть поступает в газогенератор 2 а другая часть подается в топку 3 для

производства теплоносителя Другими входными потоками в систему перера-

ботки высоковлажных древесных отходов является воздух который подается в

качестве окислителя в газогенератор и топку и в качестве теплоносителя в

утилизатор тепла ndash 4 при производстве из продуктов газификации химических

продуктов 5 На выходе из системы переработки древесных отходов имеем

новые химические продукты отработанный теплоноситель и золу Внутри

рассматриваемой системы протекают взаимосвязанные процессы сушки пи-

ролиза горения и восстановления Поэтому для получения математического

описания процесса переработки высоковлажных древесных отходов методом

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

11

прямоточной газификации необходимо рассмотреть и связать между собой все

вышеперечисленные процессы

В общем виде при описании процесса тепломассопереноса при сушке

отходов деревообработки состоящих преимущественно из технологической

щепы и стружки внутреннюю задачу можно свести к решению уравнения теп-

ломассопереноса для одномерной симметричной пластины

2

2

0

2

2

2

2

x

рk

x

Ta

x

Ua

U мpмmm

(1)

U

c

r

х

Ta

Т

м2

м2

тм (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от температурного

режима сушки и свойств капиллярно-пористого коллоидного тела которым

является древесины В частности для пиломатериалов из древесины может

быть использовано уравнение полученное ГС Шубиным

м

м

м02

м2

р0

мм T

Т

рU

x

рк

С

RTр (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

ждвб0

100

W11С

(4)

При рассмотрении частного случая конвективной сушки древесных от-

ходов топочными газами в режиме противотока в сушильном бункере изме-

нение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя можно

определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в

следующем виде

0

0

м0

г

L

B

)wε(1ρ

fj

dh

dX

(5)

г0гг

г

wε

f

ρc

q

dh

dT

(6)

а изменение влажности и температуры внутри древесной частицы в условиях

сушильного бункера при отсутствии общего градиента давления и фазовых

превращений внутри древесной частицы можно определить с помощью си-

стемы дифференциальных уравнений тепломассопереноса

м

мм

мм

Г

Г

м

w

1

x

Taδ

x

Uax

xx

1

h

U

(7)

м0м

мГ

Г

м

wρc

1

x

Tλx

xx

1

h

T

(8)

Начальные условия для выражений (5)-(8) запишутся в виде

Xг(0) =Xгк (9)

Tг(0) =Тгк (10)

мнн U(x0)U (11)

мнн T(x0)T (12)

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

12

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера

можно определить из выражения материального баланса процесса сушки

Г

ГНГмкмнм

ГКL

XLUUBX

)( (13)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера опре-

деляется из технологических соображений при заданной степени насыщения

топочного газа водяными парами Для этого необходимо решить уравнение

кгсвн

гск

XMMp

MXP

(14)

относительно температуры при заданной относительной влажности φ где дав-

ление насыщения можно определить с помощью уравнения

)

15273

9648657 1594exp()

15273

529831 1892exp(

51

TT

pн (15)

Граничные условия для выражений (7) (8) запишутся в виде

- на поверхности частицы

ппx

Tδ

x

Uaρ)p(pβρj мм

m0cрп0

хххх

(16)

part

part)-(

пххx

TjrTTq м

мМГ

(17)

- в центре частицы при условии симметрии

0 part

part

part

part

00

x

м

x

м

x

U

x

T (18)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от темпера-

туры и относительной влажности топочного газа можно определить из урав-

нения

пгпг

пггг

р

UUприU

UUприTTU

4510)8481exp(1310

(19)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температу-

ры определяется соотношением

гT101390314U 3

пг

(20)

Теплоту парообразования в граничном условии (17) в зависимости от

температуры древесины можно определить выражением

310001101

1816323216174435

м

м

T

Tr (21)

При решении задачи термического разложения древесного материала в

зоне пиролиза установки газификации изменение температуры материала опи-

сывается дифференциальным уравнением теплопереноса

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

13

слэфслсл qxx

с

слслсл TTT

(22 )

для решения которого необходимо определить сток тепла на прогрев материа-

ла испарение влаги и приток тепла от химических реакцией на стадии пиро-

лиза

хриcппсл qqqq (23)

Для решения уравнения (22) сформулированы начальные (24) и гранич-

ные условия (25)

сл )(0T начТх (24)

)(0

слг

х

сл

эф ТТх

T

(25)

Сток тепла на испарение влаги определяется выражением

0

x

м

ч

миcп

U

frq

(26)

Изменение влажности определяется совместным решением уравнений

(7) (8)

Для определе-

ния притока тепла на

стадии пиролиза дре-

весина рассматривает-

ся как смесь компо-

нентов гемицеллюло-

зы целлюлозы и лиг-

нина А процесс пиро-

лиза древесины как

совокупность процес-

сов термического раз-

ложения ее основных

компонентов Механизм термического разложения компонентов древесины

представлен на рис 2 и предполагает разложение компонентов древесины на

два конечных продукта древесный уголь и летучие газы

Разложение гемицеллюлозы происходит в два этапа на первом - геми-

целлюлоза разлагается на газы и промежуточный остаток на втором - проме-

жуточный остаток разлагается на газы и уголь Целлюлоза и лигнин разлагает-

ся на газы и уголь в одну стадию Массовые доли для гемицеллюлозы целлю-

лозы и лигнина зависят от породы древесины

С учетом принятого механизма изменение массы в единице объема для

каждого из указанных компонентов запишется уравнениями химической кине-

тики

для гемицеллюлозы гцгц

гцmk

m

( 27)

пвпвгцгцгц

пв mkmkm

(28)

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

14

для целлюлозы цц

цmk

m

(29)

для лигнина лл

л mkm

(30)

В результате теплоту термического разложения древесины можно запи-

сать в виде

)()(

)(

лллццц

пвпвгцгцгцгцгцгцхр

mkqmkq

mkmkmkqq

(31)

Уравнения баланса массы для угля и газа запишутся в виде

)()( лллцццпвпвпв

уmkmkmk

m

(32)

)1()1(

)1()1()()(

лллццц

пвпвпвгцгцгц

пгпгпг

mkmk

mkmkmwm

(33)

Предполагая что при пиролизе температура частицы равна температуре

образующихся газов а в локальном объеме между компонентами газовой и

твердой фазы установлено термодинамическое равновесие уравнение сохра-

нения энергии запишется в виде

хрпгпгпгчпгпгууллццгцгц qT

wсmTTT

)mсmсmсmсmс(

(34)

Коэффициент теплопроводности зависит от доли прореагировавшей

древесины и определяется выражением

513

)1(

3

0

пор

пгумч

dТc (

(35)

Процесс горения продуктов пиролиза описывается уравнениями позво-

ляющими определить расход необходимого воздуха для горения температуру

продуктов сгорания и их компонентный состав

При рассмотрении процесса восстановления вследствие значительного

влияния конвективного переноса тепла и массы теплопроводностью и диффу-

зией по газу пренебрегаем С учетом принятого допущения уравнения сохра-

нения вещества для каждого компонента газового потока и для угля запишутся

в виде

ii

i

гг Ckу

Сw

(36)

1

z

m

iу

y

у kmy

mw (37)

Уравнение сохранения энергии для газового потока и угля соответ-

ственно примут вид

))(()(T

1

0

г-г

z

i

iiiiггугггггггг CCkqfТТу

wс (38)

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

15

))(()(T

1

0

у

z

i

iiiiггуггууу CCkqfТТу

wс (39)

Для решения системы уравнений (36-39) приняты граничные условия

0уг-г0уу TT

i00уi СС

0у0уу mm

(40)

Система дифференциальных уравнений решалась методом сеток с по-

мощью конечно-разностных схем Значения кинетических констант для хими-

ческих реакций брались из литературных источников

На рис 3 представлен алгоритм расчета комплексной энерготехнологи-

ческой переработки древесных отходов методом прямоточной газификации

Расчет ведется в следующей

последовательности После

ввода постоянных и варьируе-

мых параметров проверяется

необходимость расчета про-

цесса сушки Если отходы вы-

соковлажные UнgtUнг те вла-

госодержание древесных отхо-

дов больше требуемой началь-

ной влажности отходов перед

газификацией то рассчитыва-

ется процесс сушки либо за

счет тепла отработанных то-

почных газов либо от рекупе-

ративного тепла продуктов

газификации Если скорость

сушки древесных отходов

меньше предельной заданной

скорости то рассчитывается

дополнительное топочное

устройство Далее проводится

расчет процесса газификации

Расчет процесса газификации

проводится в соответствии с блоком представленным на рис 4 Блок расчета

процесса газификации включает в себя расчет зоны термического разложения

древесного материала в отсутствие кислорода (пиролиза) расчет процесса го-

рения продуктов пиролиза и расчет восстановительной зоны процесса газифи-

кации Оптимизационная задача расчета процесса газификации сводится к

определению высот зон пиролиза горения и восстановления увязанных меж-

ду собой таким образом чтобы количество и качество угля образованного в

зоне пиролиза удовлетворяло количеству газов получаемых в зоне окисления

с тем чтобы на выходе из зоны восстановления не оставалось диоксида угле-

рода паров воды либо непрореагировавшего углерода В результате расчета

на печать выводятся значения основных технологических параметров процес-

са газификации и химический состав получаемого синтез-газа

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

16

Рис 4 Блок расчета процесса газификации

В четвертой главе представлено описание экспериментальных устано-

вок и методики проведения исследований а также изложены результаты мате-

матического и физического моделирования процессов переработки древесных

отходов различного происхождения с применением прямоточной газификации

Приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических

зависимостей установлена адекватность разработанной модели реальному

процессу

Компьютерная программа моделирования процессов переработки дре-

весных отходов создана в среде Visual Basic for Application С целью повыше-

ния точности и увеличения степени автоматизации расчетов в созданной про-

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

17

грамме использованы математические функции основных теплофизических

массопроводных и химических параметров древесины полученные в резуль-

тате аппроксимации таблиц и диаграмм известных из литературы

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экс-

периментальных исследований была выбрана щепа сосны различного фракци-

онного состава вследствие ее наибольшей распространённости в районах

средней полосы России и наличия в литературе наиболее полных сведений о ее

теплофизических и физико-химических свойствах

В соответствии с назначением выделены две группы эксперименталь-

ных установок (рис 5)

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса сушки древесных отходов

- экспериментальные установки для физического моделирования про-

цесса газификации древесных отходов

Рис 5 Классификация разработанных экспериментальных установок

Для исследования кинетики сушки древесных отходов топочными газа-

ми полученными в результате сжигания генераторного газа и влияния пара-

метров топочных газов на процесс сушки был разработан стенд для исследо-

вания процесса сушки древесных отходов топочными газами схема и внешний

вид которого представлены на рисунке 6 Данный стенд позволяет также осу-

ществлять исследования процесса горения древесных частиц в слое в зависи-

мости от геометрических размеров состава топлива и коэффициента избытка

воздуха в камере

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

18

Рис 6 Схема и внешний вид лабораторного стенда для исследования процесса сушки

древесных отходов топочными газами (Патент 2274851)

Стенд состоит из загрузочного бункера 1 соединенного шнеком 2 с ка-

мерой сгорания 3 теплообменника 4 эжектора 5 сушильного бункера 6 при-

емного бункера 7 и модуля управления и регистрации данных 8

На рисунке 7 представлена схема и внешний вид экспериментальной

установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов де-

ревообработки Экспериментальная установка состоит из последовательно

соединенных газификатора 1 камеры дожигания генераторного газа 2 тепло-

обменника 3 системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4 модуля

управления и регистрации данных 5

Рис 7 Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования процесса

прямоточной газификации древесных отходов

На установке исследованы гетерогенные процессы протекающие в вос-

становительной зоне реактора газификации определено влияние входных па-

раметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной мно-

гие из технологических решений положены в основу конструкций лаборатор-

ных установок и послужили базой для разработки аппаратурного оформления

реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ Ряд

экспериментальных установок нашли применение в учебных лабораториях

КНИТУ

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

19

Адекватность разработанных математических моделей установлена об-

работкой результатов измерений полученных при физическом моделирова-

нии и результатов полученных расчетом модели для идентичных условий

методами математической статистики

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий

протекания процессов и находится в пределах 25-30 В результате матема-

тического моделирования были разработаны рекомендации по режимным па-

раметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям прямоточ-

ных газогенераторов различного назначения

Для повышения эффективности энерготехнологической переработки

высоковлажных древесных отходов целесообразно использование предвари-

тельной сушки топлива подаваемого в газификатор за счет тепла отработан-

ных топочных газов либо тепла получаемого при охлаждении синтез-газа

Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосо-

держания отходов (рис 8 9) показал что несмотря на большое количество

Рис 8 Степень насыщения топочного газа от

температуры при различной влажности отходов

Рис 9 Степень насыщения топочного газа от

влагосодержания древесных отходов

влаги содержащейся в топочных газах они имеют достаточный потенциал

влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента

В результате проведенных исследований установлено что оптимальным

является время пребывания за которое сушильный агент (топочный газ) в ре-

зультате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения

близкого к значению 095 Более длительное пребывание топочного газа в су-

шильном бункере нежелательно так как в верхней части сушильного бункера

начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных

древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза

В результате обработки экспериментальных данных и результатов мо-

делирования разработанной математической модели получены графические

зависимости описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными

топочными газами при различных режимных параметрах процесса сушки На

рис 10 представлена зависимость равновесного влагосодержания древесины

от степени насыщения топочного газа а на рис 11- распределение влагосо-

держания по сечению древесной частицы в зависимости от высоты сушильно-

го бункера Следует отметить значительное снижение влажности на

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

20

поверхности частицы как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь

частицы что в свою очередь положительно сказывается при пиролизе части-

цы в пиролизной зоне газификатора

02

03

04

05

06

07

-0005 -0004 -0003 -0002 -0001 0 0001 0002 0003 0004 0005

x м

U

20

30

40

50

60

70

H=0108

H=0043

H=0217

H=0151

Рис 10 Равновесное влагосодержание дре-

весины от степени насыщения топочного

газа

Рис 11 Распределение влагосодержания по

сечению частицы

Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет говорить

о достаточно удовлетворительном описании математической моделью реаль-

ных процессов сушки древесных отходов отработанными топочными газами

Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превы-

шает 25 Моделирование проводилось для древесных отходов сосны име-

ющих форму пластины толщиной 001м при начальной температуре частиц

Тн=25 degС до условия достижения сушильным агентом степени насыщения

φ=095

На рис 12 представлено распределение среднего влагосодержания ма-

териала температуры топочного газа и температуры материала по высоте

слоя Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера

возрастает Необходимо отметить что данные кривые являются рабочими ли-

ниями процесса сушки при заданных входных параметрах по древесным отхо-

дам и выходных параметрах по топочным газам

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 005 01 015 02

06

061

062

063

064

065

066

067

068

069

07

071

H м

U middot001T Cdeg

U м

T г

Тм

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

02 04 06 08

H м

Tг=180

Tг=150

Tг=120

U middot001 Рис 12 Распределение влагосодержания и

температуры материала по высоте слоя

Рис 13 Эффективная высота слоя от влаго-

содержания топлива

На рисунке 13 представлена зависимость эффективной высоты слоя от

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

21

начального влагосодержания древесных отходов при различных температурах

топочного газа на выходе из котла Как видно из данной зависимости при уве-

личении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отхо-

дящих газов требуемая поверхность тепло-массообмена выраженная через

высоту слоя уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного

агента

Результаты исследований процессов протекающих в пиролизной зоне

прямоточных газификаторов представлены на рис 14divide17 на которых сплош-

ными линиями обозначены данные полученные расчетным путем а точками и

пунктирными линиями ndash экспериментальные значения На рис 14 представле-

ны экспериментальная и расчетная кривые зависимости убыли массы древес-

ного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне На рис 15 пред-

ставлены кинетические зависимости изменения температуры слоя в попереч-

ном сечении пиролизной камеры от продолжительности процесса пиролиза

Анализ кривых показывает что ближе к центру слоя расчетные и эксперимен-

тальные данные имеют более значительные расхождения Это объясняется

тем что математическая модель не учитывает двухмерность процесса

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700Т ordmС

m

12

5 4

3

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35τ мин

Т ordmС

1

2

3

Рис 14 Зависимость убыли массы от

температуры нагрева 1ndashматериал (э) 2ndash материал

(р) 3ndash лигнин (р) 4ndash целлюлоза (р) 5ndashгемицеллюлоза (р)

Рис 15 Зависимость температуры слоя

от продолжительности процесса 1 ndash у стенки

(на радиусе) 2 ndash на середине радиуса 3 ndash в центре

На рис 16 показаны зависимости содержания летучих и углерода в

коксовом остатке от температуры в зоне пиролиза которые показывают что

при увеличении температуры процесса массовый выход угля падает а доля

содержащегося в нем углерода растет Это объясняется большей степенью

термической деструкции лигно-целлюлозного комплекса при высоких темпе-

ратурах и как следствие выделением большего количества летучих веществ

содержащихся в древесной массе

Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза

приведена на рис 17 Уравнения полученные аппроксимацией данных зави-

симостей были использованы для математического моделирования процесса

прямоточной газификации

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

22

5

10

15

20

25

30

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Xлет

70

75

80

85

90

95Хугл

1

2

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600 650 700Т ordmС

Yi

1

2

3

4

Рис 16 Зависимость содержания летучих и углерода в коксовом остатке от температу-

ры в зоне пиролиза

Рис 17 Зависимость состава пиролизного газа от температуры в зоне пиролиза 1 ndash

H2 2 ndash CH4 3 ndash СО 4 ndash СО2

На рис 18 показана зависимость состава генераторного газа от влажности

древесных отходов

10

12

14

16

18

20

22

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U

Yi

15

2

25

3

35

4

45YСH4

1 2

3

4

8

10

12

14

16

18

20

03 04 05 06 07 08 α

Yi

08

1

12

14

16

18

2YCH4

1

2

3

4

Рис 18 Зависимость состава генераторного

газа от влажности отхдов1ndash СН4 2 ndash СО 3 ndash

СО2 4 ndash H2

Рис 19 Зависимость состава генераторного

газа от расхода окислителя

Как видно из данных зависимостей увеличение влажности отходов

приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и

уменьшению окиси углерода и водорода Увеличение образования диоксида

углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и как

следствие снижением скорости реакций восстановления что в свою очередь и

приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количе-

ства водяных паров Содержание водорода в генераторном газе при значениях

влажности в пределах 18-22 имеет максимальное значение однако с даль-

нейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в

результате понижения температуры в зоне восстановления

На состав генераторного газа также оказывает влияние расход окисли-

теля в зоне горения (рис 19) Увеличение расхода окислителя до значения ко-

эффициента избытка воздуха 07 приводит к росту температуры в восстанови-

тельной зоне газификатора и как следствие к росту содержания горючих ком-

понентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного

диоксида углерода в генераторном газе Это объясняется смещением констан-

ты равновесия эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

23

паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высо-

ких температурах Увеличение содержания в генераторном газе водорода и

окиси углерода также связано с ростом скорости химических реакций в зонах

горения и восстановления за счет увеличения температуры

Также на установке для исследования процесса прямоточной газифика-

ции отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле

в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа (см

рис 20 и 21) Содержание основных горючих компонентов генераторного газа

при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24 возрастает что повы-

шает теплотворную способность генераторного газа Однако опыты показы-

вают что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к обра-

зованию неразложившихся смол в генераторном газе

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Yi

30

305

31

315

32

325YСО

1

2

4

3

1175

1200

1225

1250

1275

1300

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Xлет

Q ккалм3

Рис 20 Зависимость состава генераторного газа от

содержания летучих в угле в зоне восстановления

1 ndash CH4 2 ndash СО2 3 ndash СО 4 ndash H2

Рис 21 Зависимость теплоты сгорания

генераторного газа от содержания летучих

в угле в зоне восстановления

На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на па-

раметры генераторного газа Результаты исследований (рис 22) показывают

что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание

горючих компонентов в генераторном газе увеличивается Однако дальней-

шее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением тепло-

творной способности генераторного газа вследствие уменьшения количества

окиси углерода и метана связанное с падением температуры в конце зоны вос-

становления и протеканием обратных реакций При этом содержание водоро-

да возрастает незначительно

10

14

18

22

26

30

40 60 80 100 120 140 160H мм

Yi

14

18

22

26

3

34YСН4

1

2

3

4

Рис 22 Зависимость состава генераторного

газа от высоты зоны восстановления 1 ndash

СО2 2 ndash H2 3 ndash CH4 4 ndash СО

Рис 23 Зависимость состава генераторного

газа от скорости фильтрации 1 ndash CH4 2 ndash

СО 3 ndash H2

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

На рис 23 приведена зависимость состава генераторного газа от скоро-

сти фильтрации газифицирующего агента через слой угля Кривые показывают

рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе до значений

скорости фильтрации равных 74 мс далее идет снижение концентраций го-

рючих компонентов Это можно объяснить тем что увеличение скорости

фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного

слоя вокруг частиц угля что приводит к увеличению концентрации диоксида

углерода на поверхности угольных частиц и как следствие увеличению ско-

рости восстановительных реакций Однако чрезмерное увеличение скорости

фильтрации газифицирующего агента приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо

угольных частиц что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе

20

40

60

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Н [мм]

CCO CO2 []

dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2 dэкв=10мм СО

dэкв=10 мм СО2 dэкв=15мм СО dэкв=15мм СО2

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

H [мм]

С []

CO H2 CO2 H2O

с

Рис 24 Изменение концентрации СО СО2

по высоте слоя при различных размерах

частиц угля

Рис 25 Изменение концентрации СО Н2 СО2 Н2О по высоте слоя в реакторе при

паровой конверсии при dэкв = 5 мм

На рис 24 показано изменение концентрации окиси углерода и диокси-

да углерода по высоте восстановительной зоны при различных размерах ча-

стиц угля Из кривых видно что уменьшение фракционного состава угля в

восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления ди-

оксида углерода что согласуется с общими законами химической кинетики

На рис 25 показаны изменение концентрации паров воды оксида угле-

рода диоксида углерода и водорода по высоте восстановительной зоны в реак-

торе при скорости фильтрации υ=6 мсек и различных фракционных составах

угля В отличие от кривых приведенных на рис 24 газифицирующим агентом

в данном случае являются пары воды а не диоксид углерода Сравнительный

анализ данных графиков показывает что содержание в генераторном газе ди-

оксида углерода при паровой конверсии значительно ниже чем при газифика-

ции диоксидом углерода что говорит о возможности использования паровой

конверсии древесного угля для получения чистого синтез-газа пригодного для

дальнейшего производства из него химических продуктов

Таким образом в ходе математического моделирования и эксперимен-

тальных исследований были определены параметры процессов сушки пироли-

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

25

за и прямоточной газификации значительно влияющие на химический состав

и теплотворную способность получаемого генераторного газа

В пятой главе приводится описание конструкций газогенераторов и

технологических схем для реализации процессов переработки древесных от-

ходов в соответствии с их свойствами а также результаты их опытно-

промышленных испытаний в промышленности

Для газификации высоковлажных древесных отходов образующихся на

лесозаготовительных и лесопильных производствах разработаны газогенера-

торы с предварительной сушкой отходов (рис 26)

а б в

Рис 26 Конструкция узла сушки газификаторов с подводом тепла а ndash с перекрестным режимом б ndash с противоточным режимом в ndash с противоточным режимом и

механическим разрыхляющим устройством

Конструкция узла сушки данных газификаторов зависит от фракционного

состава древесных отходов и их геометрических размеров Для предваритель-

ной сушки технологической щепы целесообразно применять простые в изго-

товлении и эксплуатации конвективные сушилки шахтного типа с перекрест-

ным или противоточным режимом подачи теплоносителя

Для мелкодисперсных

фракций отходов целесообразно

организовывать сушку в проти-

воточном режиме с вводом ме-

ханических разрыхляющих

устройств (рис 26 в) В данной

конструкции древесные отходы

перемещаются скребками 1 на

перфорированных тарелках 2 и

продуваются теплоносителем

снизу вверх Перемещение дре-

весных частиц с верхних таре-

лок на нижние осуществляется

через технологические отвер-

стия расположение которых

чередуется На нечетных тарел-

ках технические отверстия

находятся на периферии 3 а на

четных в центре 4 Конструкции

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

26

скребков способствуют разрыхлению слоя древесных частиц и его продвиже-

нию к технологическим отверстиям

Кондуктивный подвод тепла при предварительной сушке древесных ча-

стиц целесообразно применять в случаях когда контакт теплоносителя с дре-

весными частицами не допустим например при использовании высшей теп-

лотворной способности топлива или при необходимости одновременного из-

влечения из влажных древесных частиц экстрактивных веществ На рис27

приведена разработанная конструкция газогенератора прямоточного действия

предназначенного для переработки древесных отходов содержащих преиму-

щественно кору и зелень хвойных пород древесины В этой конструкции дре-

весные частицы находятся в герметичной камере 1 поэтому пары ценных ле-

тучих веществ выделяемых при сушке легко конденсируются в поверхност-

ном конденсаторе 2 и собираются в сборнике 3 а несконденсированные пары

эжектируются окислителем в эжекторе 4 и подаются в зону горения 5

При больших количествах отработанных топочных газов целесообразно

использовать высшую теплотворную способность топлива путем выделения

скрытой теплоты парообразования из топочных газов На рис 28 приведена

схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов в

сушильном бункере которого древесные отходы сушатся конвективно при

Рис 28 Схема газификатора для переработки высоковлажных древесных отходов с ис-

пользованием ВТС топлива

этом топочные газы достигают максимальной степени насыщения влагой За-

тем топочные газы проходят через конденсационные трубы и отдают теплоту

конденсации древесным отходам в верхней зоне поступающим на конвектив-

ную сушку

При производстве из генераторного газа новых химических продуктов

например метанола моторного топлива возникает необходимость утилизации

побочных продуктов реакции сдувочных и танковых газов а также легких

углеводородов В связи с этим разработана специальная конструкция газоге-

нератора (рис 29) с дополнительным вводом побочных продуктов реакций в

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

27

зону горения и дополнительной подачей древесного угля в восстановитель-

ную зону

Рис 29 Схема газификатора с дополнительной подачей угля в восстановительную зону

При термической утилизации древесных отходов содержащих поли-

мерные включения образуются высокотоксичные вещества для деструкции

которых требуется высокая температура

Рис 30 Схема и внешний вид опытно-промышленного газификатора для переработки

древесных отходов содержащих полимерные включения

В прямоточном газификаторе (рис 30) разработанном для утилизации

таких отходов высокая температура достигается за счет топочного устройства

встроенного внутрь газификатора В табл 1 приведены технологические па-

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

28

раметры полученные при режимных испытаниях данного газификатора

Таблица 1

Технологические параметры газификатора со встроенной топкой

Наименование

параметра

Ед

изм

Требования

к параметру

Измеренное

значение

Номинальное

значение

Предельное

отклонение

Нормальные

условия

Расход топлива (щепы) кгч 130 plusmn 5 132

Расход синтезndashгаза м3ч 175 plusmn 5 169

Температура синтезndashгаза ordmС 1150 plusmn 50 1110

Состав синтезndashгаза

СО 59 plusmn 2 578

Н2 31 plusmn 2 296

СО2 3 plusmn 1 35

N2 6 plusmn 1 79

CH4 1 plusmn 05 12

Другая газогенераторная установка со встроенной топкой для перера-

ботки древесных отходов содержащих полимерные включения (рис 31) была

разработана и принята к внедрению на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo

Рис 31 Схема установки для термической переработки древесных отходов содержащих

полимерные включения (патент 2400671)

Установка работает следующим образом Предварительно сепарирован-

ные древесные отходы от включений полимерных материалов таких как

пластмассы смолы полиэтилен и др загружают в бункер для загрузки отхо-

дов 1 а древесные отходы содержащие полимерные включения загружают в

съемные камеры пиролиза 3 и закрывают крышкой 4

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

29

Съемные камеры в нижней части имеют отверстия 5 через которые пи-

ролизные газы выводятся во встроенную топку 2 В топке они сжигаются вме-

сте с генераторным газом и создают высокую температуру способствующую

разложению токсичных веществ Окончательная очистка отходящих газов

осуществляется после рекуперативных теплообменников в многоступенчатом

абсорбере 6

На рис 32 приведен алгоритм выбора конструкции газогенератора ис-

ходя из свойств и вида древесных отходов После ввода исходных данных на

1-ой ступени проверя-

ется наличие в дре-

весных отходах поли-

мерных включений

При наличии поли-

мерных соединений

Спne0 выбирается газо-

генератор со встроен-

ной топкой затем

проверяется требова-

ние по качеству гене-

раторного газа если

требуется синтез-газ

то выбирается газоге-

нератор с паровой

конверсией угля При

отсутствии полимер-

ных включений про-

веряется необходи-

мость утилизации сдувочных газов или легких углеводородов При Слу=0 вы-

бирается газогенератор с дополнительным подводом горючего и древесного

угля Далее проверяется влажность отходов и наличие экстрактивных веществ

в древесных отходах При малом влагосодержании UltUпр или высоком содер-

жании в древесных отходах экстрактивных веществ рекомендуется газогене-

ратор с кондуктивным подводом тепла Для высоковлажных мелкодисперсных

древесных отходов dэlt[dэ] рекомендуется газогенератор с механическим во-

рошителем При больших производительностях установки Qgt[Q] рекоменду-

ется выбирать газогенератор с кондуктивно-конвективным подводом тепла

применять режим противотока целесообразно при малых производительностях

установки Blt[B]

В шестой главе приведены результаты по модернизации существую-

щих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях

промышленности в основе которых лежат проведенные исследования по гази-

фикации древесных отходов Результаты представленных в данной главе ис-

следований создают базу для дальнейшего развития и более детального иссле-

дования смежных процессов

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

30

Результаты исследования процесса сушки древесных отходов за счет

конденсации паров влаги содержащейся в топочном газе послужили основой

разработки установки сушки древесины (патент 2425306) в которой от-

сутствует дорогостоящее оборудование для создания вакуума В предложен-

ном решении по аналогии с конденсационной сушилкой пар удаленный из

высушиваемой древесины в одной камере конденсируется в калорифере дру-

гой камеры и тем самым отдает энергию на сушку материала этой камере

Узел сушки мелкодисперсных древесных отходов перед термической

обработкой рекомендован для совершенствования установки для получения

хвойного экстракта (патент 2404238)

Изучение свойств древесины в процессе ее нагрева в герметичном объ-

еме показало возможность совершенствования процессов автоклавной обра-

ботки древесных материалов к которым можно отнести процессы тепловой

обработки без доступа воздуха с целью получения термомодифицированной

древесины Результаты исследований позволили предложить новый энергосбе-

регающий способ термомодификации древесины (патента 2422266)

Результаты исследований по газификации древесных отходов легли в

основу разработки нового способа термической переработки древесных отхо-

дов в моторное топливо (заявка на изобретение 2011152305) Схема установки

представлена на рис 33

Рис 33 Схема установки переработки древесных отходов с получением моторного топлива

В соответствии с разработанным способом в нижней части камеры пря-

моточной газификации установлен гибкий шнековый транспортер 10 для уда-

ления золы и селективного катализатора В восстановительную зону газогене-

ратора шнековым транспортером 11 подается древесный уголь смешанный с

селективным катализатором и необходимый для получения генераторного газа

с преимущественным содержанием СО и Н2 Древесный уголь дополнительно

вырабатывается в установке углежжения 12 (патент 2256686) Образовав-

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

31

шийся генераторный газ кондуктивно нагревает стенки пиролизной зоны газо-

генератора 5 Далее генераторный газ подается в циклон 13 для очистки от

золы и затем поступает в систему охлаждения вначале в рекуперативный теп-

лообменник 14 охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 15 затем в

холодильник 16 охлаждаемый оборотной водой Затем генераторный газ по-

дается в рукавный фильтр 17 где происходит дополнительная очистка от зо-

лы Далее газ поступает в сепаратор 18 для выделения из генераторного газа

метана который подается через форсунки 6 в зону сгорания Полученный

таким образом синтез-газ компрессором 19 подается в реактор синтеза 20

Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике

21 затем оборотной водой в холодильнике 22 после чего поступают последо-

вательно в сепаратор высокого давления 23в сепаратор низкого давления 24 в

отстойник 25 26 и выпарной аппарат 27

В отстойнике 25 из нестабильной бензиновой фракции выделяется вода

которая собирается в емкости для оборотной воды 26 Из выпарного аппарата

27 бензиновая фракция при помощи жидкостного насоса 28 собирается в сбор-

нике готовой продукции 29 При этом сдувочные газы и легкие углеводороды

выделяемые из аппаратов 18 24 26 27 сжигаются в газогенераторе вместе с

пиролизными газами

В приложении к работе приведены элементы программ расчета иссле-

дуемых процессов на ПЭВМ результаты статистической обработки получен-

ных данных и акты внедрения подтверждающие практическое использование

основных результатов предприятиями методики и результаты испытаний

Основные результаты работы

1 Применение методологического подхода к исследованию техноло-

гических процессов протекающих при термическом воздействии на древеси-

ну позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику

исследования процессов прямоточной газификации древесных отходов

2 На основе единой методики исследования и теории тепломассопере-

носа осложненного химическими превращениями разработаны методы расче-

та термохимических процессов сопровождающих процесс прямоточной гази-

фикации древесных отходов

3 Разработана обобщенная модель энерготехнологической переработки

древесных отходов с использованием метода прямоточной газификации поз-

воляющая прогнозировать характер протекания процесса выявить пути его

интенсификации а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональ-

ные режимные параметры

4 Предложен алгоритм расчета процесса энерготехнологической пере-

работки древесных отходов с использованием способа прямоточной газифика-

ции и компьютерная программа для моделирования

5 Созданы экспериментальные установки для исследования термохи-

мических процессов сопровождающих процесс прямоточной газификации

Отдельные решения положенные в основу лабораторных установок в даль-

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

32

нейшем нашли использование при аппаратурном оформлении процессов пря-

моточной газификации Экспериментальные установки используются в учеб-

ном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ laquoВысокоэффектив-

ные технологии переработки древесных материаловraquo

6 По результатам математического моделирования выданы рекоменда-

ции по режимным параметрам переработки древесных отходов различного

происхождения

7 Увеличение влажности древесных отходов свыше 30 приводит к

снижению содержания горючих компонентов и теплотворной способности

генераторного газа поэтому целесообразно организовать предварительную

сушку высоковлажных древесных отходов перед газификацией за счет рекупе-

рации тепла с технологических потоков отработанного топочного газа или

произведенного генераторного газа

8 По результатам исследований разработан способ газификации высо-

ковлажных отходов (свыше 30) позволяющий получить генераторный газ

высокой теплотворности

9 Высота зоны восстановления зависит от расхода концентрации и

температуры окислителя в зоне горения и количества летучих в угле в зоне

восстановления Увеличение высоты зоны восстановления способствует воз-

растанию теплотворной способности генераторного газа дальнейшее увели-

чение приводит к снижению теплотворной способности генераторного газа

10 Продолжительность термохимического разложения в зоне пиролиза

зависит от фракционного состава и вида полимерных включений в древесных

отходах поэтому при переработке древесных отходов содержащих полимер-

ные включения целесообразно организовать предварительную сепарацию от-

ходов и проводить пиролиз отходов в отдельной зоне

11 Предложена новая технология и установка для термохимической пе-

реработки древесных отходов содержащих полимерные включения новизна

которой подтверждена патентом РФ Установка принята к внедрению в произ-

водство на ОАО laquoНижнекамскшинаraquo с ожидаемым годовым эффектом 15

млн рублей

12 По результатам анализа математического моделирования процесса

прямоточной газификации получены новые решения по усовершенствованию

массообменных процессов в других областях деревопереработки Выявлены

новые перспективные способы и аппаратурное оформление для проведения

процессов сушки термомодификации пиролиза экстрагирования веществ из

коры хвойных пород древесины и зелени

13 По результатам исследования процесса и в рамках федеральной це-

левой программы laquoИсследования и разработки по приоритетным направлени-

ям научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годыraquo разрабо-

тана и внедрена новая технология переработки древесных отходов в моторное

топливо

14 Научные и прикладные результаты исследований переданы пред-

приятиям научно-исследовательским и проектным организациям в виде мето-

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

33

дик расчета процессов отчетов проектов и рекомендаций для реконструкции

и проектирования Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедре-

ния результатов исследования составляет свыше 43 млн рублей Реальный

экономический эффект подтвержденный актами составляет 31 млн рублей

Основные обозначения

Х X0 ndash влагосодержание топочного газа дутьевого воздуха кгкг h ndash

высота слоя м j ndash поток вещества кг(м2с) f ndash удельная поверхность м

2м

3

ρ ndash плотность кгм3 εndash порозность м

3м

3 w ndash скорость мс B ndash массовый

расход топлива кгс L ndash массовый расход газа кгс Т ndash температура K q ndash

удельная тепловая энергия Джм2middotс c ndash удельная теплоёмкость ДжкгmiddotК U ndash

влагосодержание Г ndash параметр зависящий от формы частиц aм ndash коэффи-

циент массопроводности м2c δ ndash термоградиентный коэффициент degС λndash

коэффициент теплопроводности Вт(мК) φ ndash относительная влажность pndash

парциальное давление Па β ndash коэффициент массоотдачи мс ndash коэффици-

ент теплоотдачи Вт(м2К) r ndash скрытая теплота парообразования Джкг хndash

координата м M ndash молярная масса гмоль V0 ndash объем дутьевого воздуха м

3

` - коэффициент избытка воздуха m ndash масса вещества в единице объема

кгм3 Кр ndash коэффициент молярного переноса k ndash константа скорости химиче-

ской реакции с-1

γ ndash доля компонента η ndash степень пиролиза ψ ndash степень

черноты с ndash концентрация вещества мольм3 с0 ndash коэффициент излучения

абсолютно черного тела

Индексы x ndashкоордината в ndash вода м ndash материал г ndash газ сг ndash сухой газ

о ndash абсолютно сухое состояние б ndash бункер к ndash конечный н ndash начальный р-

равновесный п ndash поверхность ц ndash центр пг ndash предел гигроскопичности дес ndash

десорбция т - топка

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Монография

1 Тимербаев НФ Техника и технологии термической переработки отходов

деревообрабатывающей промышлености Монография [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ЗГ Саттарова ndash Казань КГТУ 2010 г ndash 172 с

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

2 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов

отработанными газами котельных установок [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquo ndash

2006 г ndash Том 49 ndash Вып 11 ndash С 103-105

3 Тимербаев НФ Исследование зависимости теплотворной способности ТБО

от их морфологического состава [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая

технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып10 ndash С 79-82

4 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки топочных газов образующихся

при сжигании ТБО [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ДФ Зиатдинова

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияndash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып12 ndash С 42-45

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

34

5 Тимербаев НФ Термомодификация древесины при кондуктивном подводе

тепла [Текст] НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова Известия высших

учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том 51 ndash Вып7 ndash С

76-78

6 Тимербаев НФ Экспериментальное исследование процесса предварительной

сушки древесного топлива отходящими топочными газами [Текст] НФ Тимербаев

Известия высших учебных заведений laquoХимия и химическая технологияraquondash 2008 г ndash Том

51 ndash Вып7 ndash С 86-89

7 Тимербаев НФ Энергосберегающая технология системы газоочистки при

безреактивном расщеплении жиров [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РГ

Сафин Известия высших учебных заведений laquoПроблемы энергетикиraquo ndash 2009 г ndash 5-

6 ndash С 86-89

8 Тимербаев НФ Моделирование процесса очистки дымовых газов

образованных при сжигании органических отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010

г ndash 11 ndash С 243-247

9 Тимербаев НФ Очистка топочных газов энергетических установок

работающих на твердых органических отходах [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Садртдинов Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash

11 ndash С 247-252

10 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки древесных частиц при

кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Вестник Казанского технологического университетаndash2011 г ndash 4 ndashС84-90

11 Тимербаев НФ Газификация органических видов топлива [Текст] НФ

Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева Вестник Казанского технологического

университета ndash 2011 г ndash 1 ndash С326-330

12 Тимербаев НФ Современное состояние процесса пирогенетической

переработки органических веществ [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 3 ndash

С169-174

13 Тимербаев НФ Нейтрализация статического электричества при

пневмотранспорте древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ

Саттарова Вестник Казанского технологического университета ndash 2010 г ndash 9 ndash

С478-482

14 Тимербаев НФ Моделирование процесса прямоточной газификации

древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов АР

Хисамеева Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 7 ndash

С75-80

15 Тимербаев НФ Исследование восстановительной зоны процесса

газификации древесных отходов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ЗГ Саттарова

ДА Ахметова Вестник Казанского технологического университета ndash2011 г ndash 8 ndash

С90-96

16 Тимербаев НФ Моделирование процесса пиролиза древесины в установке

для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 9 ndash

С51-57

17 Тимербаев НФ Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в

установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ИИ

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

35

Хуснуллин Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С69-76

18 Тимербаев НФ Непрерывно действующая мобильная установка для

производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Садртдинов

ВВ Степанов Вестник Казанского технологического университета ndash 2011 г ndash 18 ndash

С201-206

19 Тимербаев НФ Совершенствование процесса газификации древесных

отходов с целью получения моторного топлива [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АР Хисамеева ДА Ахметова АГ Мухаметзянова Вестник Казанского

технологического университета ndash2011 г ndash 20 ndashС60-64

Патенты

20 Патент 2256686 Российская Федерация МПК C 10 B 104 5302

Углевыжегательная печь РР Сафин РГ Сафин ВН Башкиров ИА Валеев АН

Грачев НФ Тимербаев ЕК Воронин патентообладатель Научно ndash технический центр

по разработке прогрессивного оборудования опубл 20072005

21 Патент 2274851 Российская федерация МПК G01N2520 Устройство для

определения параметров воспламенения и горения твердых материалов РРСафин

АН Грачев НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АА Нелюбин ЕК

Воронин ИА Валеев патентооблодатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по

разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042006

22 Патент 2279612 Российская Федерация МПК F26B 504 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин ЕК Воронин РГ Сафин РР Хасаншин АИ Расеев

СА Хайдаров НФ Тимербаев ДА Мухаметзянова патентообладатель Научно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудования опубл 10072006

23 Патент 2351642 Российская Федерация МПК C11D 902 Способ сушки

пиломатериалов РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин ВН Башкиров ЕК Воронин

НФ Тимербаев ДА Ахметова ДФ Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash

технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл 10042009

24 Патент 2386912 Российская Федерация МПК F26B 304 Способ сушки и

пропитки древесины РР Сафин РГ Сафин НР Галяветдинов РРХасаншин ЕЮ

Разумов ЕИ Байгильдеева ФГ Валиев ПА Кайнов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 20042010

25 Патент 2404238 Российская Федерация МПК С11B 902 Способ

комплексной переработки древесной зелени РР Сафин АЕ Воронин РГ Сафин

ЕЮ Разумов ЕК Воронин ПА Кайнов ДФ Зиатдинова НФ Тимербаев

патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного

оборудованияraquo опубл 20112010

26 Патент 2422266 Российская Федерация МПК B27K 500 Способ

термообработки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев

Зиатдинова ДФ Хайрутдинов СЗ Кайнов ПА Хасаншин РР Воронин АЕ АР

Шайхутдинова патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

27 Патент 2425306 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин ЕЮ Разумов НФ Тимербаев ДФ

Зиатдинова ФГ Валиев НА Оладышкина ПАКайнов РР Хасаншин АЕ

Воронин патентообладатель ООО laquoНаучно ndash технический центр по разработке

прогрессивного оборудованияraquo опубл 27062011

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

36

28 Патент 2400671 Российская Федерация МПК F23G 5027 Установка для

термической переработки твердых отходов НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова РР

Сафин АР Садртдинов РГ Сафин ИА Кузьмин ЕЮ Разумов РР Миндубаев

патентообладатель ГОУ ВПО laquoКазанский государственный технологический

университетraquo опубл 27092010

29 Патент 2372569 Российская Федерация МПК F26B 906 Установка для

сушки древесины РР Сафин РГ Сафин РР Гильмеев РР Хасаншин НФ

Тимербаев ДФ Зиатдинова ПА Кайнов РР Миндубаев патентообладатель ООО

laquoНаучно ndash технический центр по разработке прогрессивного оборудованияraquo опубл

10112009

Публикации в прочих изданиях

30 Тимербаев НФ Моделирование химических процессов протекающих в

герметичных условиях [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ДФ Зиатдинова ВН

Башкиров Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-15raquo Т4 ndash

Тамбов ТГТУ - 2002 г - С66-67

31 Тимербаев НФ Математическая модель технологических процессов

сопровождающихся локальными выбросами [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН

Башкиров ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях-

laquoММТТ-16raquo В10 тТ4 - Ростов-на-Дону РГАСХМ - 2003 г - С37-39

32 Тимербаев НФ Исследование процесса сжигания древесных отходов

[Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин ВН Башкиров АН Грачев Аннотации

сообщений научной сессии - Казань КГТУ - 2004 - С136

33 Тимербаев НФ Моделирование технологических процессов

сопровождающихся химическими превращениями [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ДФ Зиатдинова Математические методы в технике и технологиях - laquoММТТ-

17raquo Т 9 Секция 11 ndash Кострома - 2004г - С22-24

34 Тимербаев НФ Совершенствование термической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ВН Башкиров III Республиканская

школа студентов и аспирантов ЖИТЬ В ХХI ВЕКЕraquo ndash Казань - 2004 ndash С118-119

35 Тимербаев НФ Установка для пирогенетической переработки древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РР Сафин РГ Сафин АН Грачев

Всероссийская научно-практическая конференция laquoЛесной и химический комплексы ndash

проблемы и решения (экологические аспекты)raquo ndash Красноярск - 2004 С65-66

36 Тимербаев НФ Экспериментальный стенд для исследования процесса

сжигания древесных частиц [Текст] НФ Тимербаев ИА Валеев РГ Сафин ВН

Башкиров АН Грачев Успехи в химии и химической технологии - ТХVIII3(43) -

Казань - 2004 - С95-97

37 Тимербаев НФ Использование некондиционной древесины в качестве

возобновляемых источников энергии [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев VI

Международный симпозиум laquoРесурсоэффективность и энергоснабжениеraquo ndash Казань -

2005

38 Тимербаев НФ Совершенствование системы газоочистки при зарядке

аккумуляторных батарей [Текст] НФ Тимербаев ДФ Зиатдинова ДА

Мухаметзянова Материалы всероссийской научно-технической конференции

laquoИнтенсификация тепло-массообменых процессов промышленная безопасность и

экологияraquo - Казань КГТУ - 2005 - С14

39 Тимербаев НФ К вопросу энергетического использования древесных

отходов [Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

37

научно практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства

лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С185-186

40 Тимербаев НФ Математическое описание сушки влажных древесных

отходов отработанными топочными газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Материалы научно практической конференции laquoПроблемы

использования и воспроизводства лесных ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С116-119

41 Тимербаев НФ Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива

[Текст] НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С118-119

42 Тимербаев НФ Пути повышения эффективности установок по сжиганию

отходов деревообрабатывающих предприятий [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин

АН Грачев ТД Исхаков Труды VI Международного симпозиума

laquoРесурсоэффективность и энергосбережениеraquo ndash Казань КГТУ - 2006 ndash С335-336

43 Тимербаев НФ Сжигание отходов деревообработки с предварительной

сушкой отходящими дымовыми газами [Текст] НФ Тимербаев АН Грачев ТД

Исхаков РГ Сафин Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность

и энергосбережениеraquo - Казань КГТУ 2006 - С 333-334

44 Тимербаев НФ Экспериментальная установка для исследования

взаимосвязанных процессов термического разложения и выгорания летучих [Текст]

НФ Тимербаев ТД Исхаков АН Грачев РГ Сафин Материалы научно

практической конференции laquoПроблемы использования и воспроизводства лесных

ресурсовraquo ndash Казань - 2006 ndash С190-192

45 Тимербаев НФ Системный подход к технологии обезвреживания ТБО с

дальнейшей рекуперацией энергии [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Труды VI Международного симпозиума laquoРесурсоэффективность и

энергосбережениеraquo - Казань - 2007 ndash С 235-337

46 Тимербаев НФ Технологические процессы и оборудование

деревообрабатывающих производств лабораторный практикум НФ Тимербаев РГ

Сафин РР Сафин ДФ Зиатдинова ndash Казань Издательство КГТУ - 2007 -164с

47 Тимербаев НФ Влияние термообработки на сорбционные свойства

древесины [Текст] НФ Тимербаев АИ Ахметзянов ДА Ахметова ДФ Зиатдинова

Материалы международной научно-технической конференция laquoАктуальные

проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 - С 100-101

48 Тимербаев НФ Влияние термообработки на эксплуатационные

характеристики изделий из древесины [Текст] НФ Тимербаев ЗР Муетафин ДА

Ахметова ДФ Зиатдинова Материалы международной научно-технической

конференция laquoАктуальные проблемы развития лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 -

С 100-101

49 Тимербаев НФ Газификация твердых бытовых отходов в

низкотемпературной плазме [Текст] АР Садртдинов ИА Кузьмин НФ Тимербаев

Материалы научной сессии Казанского технологического университета ndash Казань -

2008 ndash С 319

50 Тимербаев НФ Комплексный метод очистки отходящих газов [Текст] АР

Садртдинов НФ Тимербаев ИА Кузьмин АЕ Воронин Материалы

международной научно-технической конференции laquoАктуальные проблемы развития

лесного комплексаraquo ndash Вологда - 2008 ndash С 112-113

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23

38

51 Тимербаев НФ Способ дожигания синтез-газа с помощью кислородного

дутья [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР Садртдинов Аннотация

сообщений к научной сессии - Казань КГТУ - 2008 - С321

52 Тимербаев НФ Повышение энергетической эффективности установок

термической переработки отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА

Кузьмин ИА Шафиков Материалы IV Всероссийской научно-практической

конференции laquoЭнергетика в современном миреraquo ndash Чита ЧитГТУ - 2009ndashЧ2ndashС92-97

53 Тимербаев НФ Расчет состава газа на различных стадиях газификации

твердых бытовых отходов [Текст] НФ Тимербаев АР Садртдинов ИА Кузьмин

Материалы Х международной молодежной научной конференция laquoСевергеоэкотех-

2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 85-87

54 Тимербаев НФ Технология очистки топочных газов образующихся при

термической переработке ТБО [Текст] НФ Тимербаев ИА Кузьмин АР

Садртдинов Материалы Х международной молодежной научной конференция

laquoСевергеоэкотех-2009raquo ndash Ухта УГТУ - 2009 ndash Ч4 ndash С 403-405

55 Тимербаев НФ Математическое описание предварительной сушки твердых

медицинских отходов в установке термической переработки [Текст] НФ Тимербаев

РГ Сафин ЗГ Саттарова Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т1 ndash С36-37

56 Тимербаев НФ Моделирование процесса сушки отходов деревообработки

при кондуктивном подводе тепла [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамеева

Материалы IV международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash

Москва - 2011 ndash Т2 ndash С155-157

57 Тимербаев НФ Предварительная сушка древесной биомассы топочными

газами в установке для производства древесного угля [Текст] НФ Тимербаев РГ

Сафин ИИ Хуснуллин Материалы IV международной научно-практической

конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash Т2 ndash С275-278

58 Тимербаев НФ Сушка древесных отходов перед термической

переработкой [Текст] НФ Тимербаев РР Сафин АР Садртдинов Материалы IV

международной научно-практической конференция laquoСЭТТ - 2011raquo ndash Москва - 2011 ndash

Т2 ndash С333-335

59 Тимербаев НФ laquoСоздание технологии и опытной установки комплексной

переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционных

материалов [Текст] НФ Тимербаев РГ Сафин АР Хисамиева Всероссийская

научно-практическая конференция laquoКомплексное использование вторичных ресурсов и

отходов (рецикл отходов)raquo ndash Санкт-Петербург -2011 ndash с23