сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5606 Техническое оснащение сельского хозяйства
Актуальной проблемой современного агропромышленного комплекса является низкая эффективность использования вторичных сырьевых ресурсов. На основании данных Росстата, в стране в 2018 г. было собрано почти 13 млн т семян подсолнечника, что привело к накоплению до 1,8–3,2 млн т лузги, которая является балластной составляющей технологии получении подсолнечного масла. Маслоперерабатывающие предприятия непрерывно несут затраты по хранению, обеспечению безопасности, а также вывозу и размещению таких отходов на свалках. Лузга подсолнечника обладает высокой теплотворной способностью, поэтому термохимические методы переработки позволяют обеспечить комплексную переработку невостребованного сырья растительного происхождения с умеренными капитальными затратами в энергию и различные химические продукты. Разработана экспериментальная лабораторная установка кондуктивного пиролиза растительного сырья для получения угольных брикетов высокой прочности. Преимуществами пиролизных реакторов с кондуктивным подводом тепла являются простота конструкции и легкость в обслуживании. Результаты опытного исследования процесса кондуктивного пиролиза лузги подсолнечника показали, что полученные угольные брикеты имеют низкую зольность (6,2 %), их максимальный выход (29 %) достигнут при давлении прессования 25 кг/см2, а максимальное значение плотности образцов – 1139 кг/см3 (давление прессования 153 кг/см2). Найдено, что увеличение давления прессования от 20 до 150 кг/см2 приводит к повышению плотности угольных брикетов на 16 %, а максимальное значение давления на сжатие составляет 566 кг/см2. Также при давлении прессования свыше 50 кг/см2 показатель сопротивления удару при сбрасывании достигает 100 %. Разработанная технология обеспечивает большой массовый выход угольных брикетов с высокими качественными характеристиками, что свидетельствует о перспективности утилизации лузги подсолнечника методом кондуктивного пиролиза в топливное сырье для металлургической промышленности.
кондуктивный пиролиз, лузга подсолнечника, угольные брикеты высокой прочности, растительные отходы, альтернативные источники энергии
Введение. В последнее десятилетие в России наметились современные тенденции по обеспечению стабильности развития на основе бережного расходования имеющихся ресурсов, рационального природопользования, экологической безопасности производств и т. д. Наиболее активно обсуждаются актуальные проблемы обеспечения целесообразного расходования природных запасов, энергосбережения и открытия новых источников энергии [1–2]. Растительная биомасса представляет собой перспективный, экологически безопасный и альтернативный источник возобновляемой энергии [3].
Существенной проблемой сельскохозяйственного комплекса является низкая эффективность использования вторичных сырьевых ресурсов. Так при производстве подсолнечного масла происходит обрушивание масличных семян для разрушения оболочки (лузги) с целью последующего ее отделения от ядра. Лузга содержит вещества (клетчатка, воски и т.д.), наличие которых в шроте и масле крайне нежелательно. По данным Росстата, в РФ в 2018 г. было собрано почти 13 млн т семян подсолнечника, что привело к накоплению до 1,8–3,2 млн т лузги. Маслоперерабатывающие предприятия несут постоянные затраты по хранению, обеспечению безопасности, а также вывозу и размещению это вида отходов на свалках. Они также обязаны регулярно осуществлять платежи за негативное воздействие на окружающую природную среду (экологические платежи) за отсутствие технологии утилизации и использования собственных отходов.
В настоящее время существует множество промышленных направлений переработки лузги подсолнечника [4–5], которые, однако, не позволяют полностью переработать этот ценный ресурс растительного происхождения в экономически выгодные продукты, что приводит к его накоплению. Известно [6–7], что лузга подсолнечника обладает высокой теплотворной способностью, что в совокупности с дешевизной и доступностью делает ее перспективным и конкурентоспособным видом топлива.
Термохимические методы переработки сельскохозяйственных отходов позволяют обеспечить комплексную переработку невостребованного растительного сырья с умеренными капитальными затратами в энергию и различные химические продукты [8–9]. Современные технологии пиролиза растительной биомассы могут быть классифицированы по следующим признакам:
скорость нагрева (быстрый, медленный пиролиз);
среда, в которой происходит пиролиз (вакуумный, гидропиролиз, метанопиролиз);
в зависимости от способа нагрева системы (прямой, косвенный).
Теплопередача может осуществляться газовыми и твердыми теплоносителями. В первом случае передача тепла частицам биомассы происходит посредством конвекции, во втором – кондуктивно. Одновременно с конвективной и кондуктивной теплопередачами также во всех типах реакторов происходит передача тепла излучением. Тем не менее, чтобы обеспечить эффективное преобразование биомассы в твердые, жидкие и газообразные продукты, в разных пиролизных реакторах используются различные методы теплопередачи. Преимуществами реакторов с кондуктивным подводом тепла для осуществления процесса пиролиза являются простота конструкции и легкость в обслуживании [10].
Авторы [11] провели исследование физико-химических свойств лузги подсолнечника и определили наилучшие параметры термохимической переработки при увеличении температуры процесса для достижения наибольшего выхода угля и пиролизной жидкости.
Целями данной работы являются экспериментальное исследование процесса кондуктивного пиролиза лузги подсолнечника и определение качественных характеристик полученных угольных брикетов.
Условия, материалы и методы исследований. С целью исследования процесса кондуктивного пиролиза лузги подсолнечника на кафедре переработки древесных материалов ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» была спроектирована и создана экспериментальная лабораторная установка кондуктивного пиролиза растительного сырья (рисунок 1). Основные технические характеристики экспериментальной установки представлены в табл. 1.
В качестве основы конструкции установки был выбран гидравлический настольный пресс T61210 (AE&T, КНР). Она работает следующим образом: перерабатываемое растительное сырье массой 30 г помещается на нижний цилиндр установки и запрессовывается верхним. Давление прессования составляет 0,5; 1,0 и 3,0 т. Затем осуществляется нагревание материала до температуры 450 оС и выдержка продолжительностью 20 мин. Далее полученный образец охлаждается до 30–40 оС.
В качестве исходного сырья для переработки использовалась лузга подсолнечника, основные физические характеристики которой приведены в табл. 2.
В ходе проведенных исследований были получены образцы плоскоцилиндрической формы диаметром 50 мм (рисунок 2).
Для определения качественных характеристик полученных угольных брикетов определяли их зольность и показатели механической прочности. Зольность брикетов определяли прокалкой в муфельной печи, разогретой до температуры 750±5 оС в соответствии с ГОСТ 33625-2015. Зольность пробы в %, рассчитывали по формуле:
(1)
где m1 – масса тигля с навеской, г; m0 – масса пустого тигля, г; m2 – масса тигля с прокаленным остатком, г.
Механическую прочность при сжатии полученных брикетов из лузги подсолнечника определяли в соответствии с ГОСТ 21289-75 на лабораторном гидравлическом прессе. Угольный брикет помещали между цилиндрическими вставками пресса так, чтобы вставки упирались в центры его параллельных поверхностей, ограниченных длиной и шириной брикета. Затем повышали давление и доводили брикет до разрушения. По максимальному значению давления, при котором наблюдалось разрушение брикета, рассчитывали механическую прочность брикетов при сжатии:
(2)
где – среднее арифметическое значение максимального давления разрушающего брикеты, кг/см2, вычисляемое по выражению:
(3)
где – сумма значений максимальных разрушающих брикеты давлений, кг/см2; n – количество испытанных брикетов; d – диаметр рабочего поршня пресса, мм; d1 – диаметр торцовой поверхности цилиндрической вставки, мм.
Сопротивление брикетов удару при сбрасывании определяли скидыванием их с высоты 1,5 м на стальную плиту толщиной 20 мм с последующей сортировкой на классы более/менее 5 мм и их взвешиванием на электронных весах VIBRA AJH-420CE (класс точности II; SHINKO DENSHI CO., LTD, Япония). В процентном соотношении сопротивление брикета удару при сбрасывании Пуд определяли по следующей формуле:
(4)
где m – масса класса свыше 5 мм после сбрасывания брикета, г; m1 – масса класса менее 5 мм после сбрасывания брикета, г.
Анализ и обсуждение результатов исследования. Результаты исследований зольности угольных брикетов показали, что массовая доля золы в брикетах из лузги подсолнечника составила низкую величину в 6,2 %. На рис. 3 и 4 представлены результаты исследований влияния величины давления прессования, в процессе кондуктивного пиролиза, на массовый выход твердого продукта и плотности получаемых образцов.
Результаты исследований показали, что процесс кондуктивного пиролиза переработки лузги подсолнечника на разработанной лабораторной установке позволил достичь высокого значения выхода угля. Максимальное значение выхода угля 29 % достигается при давлении прессования 25 кг/см2. Однако увеличение давления прессования в процессе термического разложения ведет к снижению выхода твердого остатка. Данное явление объясняется тем, что увеличение давления прессования приводит к интенсификации процесса кондуктивного пиролиза, в связи с чем возрастает выход пиролизных газов и снижается выход твердого продукта. В то же время увеличение величины давления прессования позволяет повысить плотность получаемых угольных брикетов на 16 % в диапазоне давлений от 20 до 150 кг/см2.
Результаты исследований механической прочности брикетов представлены в виде графических зависимостей на рисунках 5 и 6.
Согласно результатам исследований, полученный при кондуктивном пиролизе твердый продукт имеет высокие показатели сопротивления на сжатие. Максимальное значение, при котором произошло разрушение образца, составило 566 кг/см2. Также графическая зависимость прочностных характеристик полученного материала показывают возможность увеличение показателей сопротивления образца на сжатии при увеличении давления прессования в процессе пиролиза.
Результаты исследований сопротивления угольных брикетов удару при сбрасывании показали увеличение показателя в диапазоне от 20 до 50 кг/см2, а при дальнейшем повышении давления он равен 100 %.
Выводы. По результатам экспериментального исследования процесса кондуктивного пиролиза лузги подсолнечника получены следующие выводы:
полученные угольные брикеты имеют низкую зольность (6,2 %);
максимальный выход твердого продукта (29 %) достигнут при давлении прессования 25 кг/см2;
максимальное значение плотности образцов – 1139 кг/см3 (давление прессования 153 кг/см2);
увеличение давления прессования от 20 до 150 кг/см2 приводит к повышению плотности угольных брикетов на 16 %;
максимальное значение давления на сжатие, при котором произошло разрушение образца, составляет 566 кг/см2;
при давлении прессования свыше 50 кг/см2 показатель сопротивления удару при сбрасывании достигает 100 %.
Таким образом, разработанная технология обеспечивает большой массовый выход угольных брикетов с высокими качественными характеристиками, что свидетельствует о перспективности утилизации лузги подсолнечника методом кондуктивного пиролиза в топливное сырье для металлургической промышленности.
Представленные результаты получены в рамках реализации гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук на тему «Разработка теоретических основ, технологии и оборудования процесса быстрого кондуктивного пиролиза отходов деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства с целью выработки высокоплотных углей для нужд металлургической отрасли» № МК-2437.2019.11.
1. Nižetić S. Smart technologies for promotion of energy efficiency, utilization of sustainable resources and waste management / S. Nižetić, N. Djilali, A. Papadopoulos, J.P.C. Rodrigues // Journal of Cleaner Production. – 2019. – Vol. 231. –№ 10. – P. 565–591.
2. Martinho V.J.P.D. Interrelationships between renewable energy and agricultural economics: An overview / V.J.P.D. Martinho // Energy Strategy Reviews. – 2018. – Vol. 22. – № 10. – P. 396–409.
3. Herbert G.M.J. Quantifying environmental performance of biomass energy / G.M.J. Herbert, A.U. Krishnan // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2016. – Vol. 59. –P. 292–308.
4. Osman, N. S. Sunflower shell waste as an alternative animal feed / N. S. Osman [et al.] // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5. – № 10. – P. 21905–21910.
5. Кузнецов, М. Г. Математическое моделирование конической установки для мокрого измельчения / М. Г. Кузнецов, В. В. Харьков, Н. З. Дубкова // Вестник технологического университета. – 2016. – Т. 19. – № 20. – С. 164–166.
6. Zabaniotou A. A. Sunflower shells utilization for energetic purposes in an integrated approach of energy crops: Laboratory study pyrolysis and kinetics / A. A. Zabaniotou, E. K. Kantarelis, D. C. Theodoropoulos // Bioresource Technology. – 2008. – Vol. 99 – P. 3174–3181.
7. Харьков, В. В. Особенности моделирования процесса сухого фракционирования зернобобового сырья / В. В. Харьков, А. Н. Николаев // Научно-технический вестник Поволжья. – 2019. – № 9. – С. 7–14.
8. Грачев, А. Н. Технология быстрого пиролиза при энергетическом использовании низкокачественной древесины / А. Н. Грачев [и др.] // Энергетика Татарстана. – 2008. – № 4. – С. 16–20.
9. Bhaskar, T. Chapter 1 – Advances in Thermochemical Conversion of Biomass – Introduction / T. Bhaskar, A. Pandey // Recent Advances in Thermo-Chemical Conversion of Biomass / eds. A. Pandey [et al.]. – Boston: Elsevier, 2015. – P. 3–30.
10. Tuntsev, D. V. The mathematical model of fast pyrolysis of wood waste / D. V. Tuntsev, R. G. Safin, R. G. Hismatov, R. A. Halitov, V. I. Petrov // International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS). – 2015. – С. 1–4.
11. Харьков, В. В. Термохимическая переработка лузги подсолнечника / В. В. Харьков, Д. В. Тунцев, М. Г. Кузнецов // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2018. – Т. 13. – № 4. – С. 130–134.
