employee
Russian Federation
employee
Russian Federation
employee
Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
OKSO 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
BBK 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
TBK 5606 Техническое оснащение сельского хозяйства
An urgent problem of the modern agro-industrial complex is the low efficiency of the use of secondary raw materials. On the basis of Rosstat data, in 2018 almost 13 million tons of sunflower seeds were collected in the country, which led to the accumulation of up to 1.8-3.2 million tons of husk, which is the ballast component of the technology for producing sunflower oil. Oil refineries continuously bear the costs of storage, safety, and the removal and disposal of such waste in landfills. Sunflower husk has a high calorific value, so thermochemical processing methods allow for the integrated processing of unclaimed raw materials of plant origin with moderate capital costs in energy and various chemical products. An experimental laboratory setup for conductive pyrolysis of plant materials has been developed to produce high-strength coal briquettes. The advantages of conductive heat feed pyrolysis reactors are simplicity of design and ease of maintenance. The results of a pilot study of the conductive pyrolysis process of sunflower husk showed that the obtained coal briquettes have a low ash content (6.2%), their maximum yield (29%) was achieved at a pressing pressure of 25 kg/cm2, and the maximum density of the samples was 1139 kg/cm3 (pressing pressure 153 kg/cm2). It was found that an increase in pressing pressure from 20 to 150 kg/cm2leads to an increase in the density of coal briquettes by 16%, and the maximum value of compression pressure is 566 kg/cm2. Also, at a compaction pressure of more than 50 kg/cm2, the impact resistance index during discharge reaches 100%. The developed technology provides a large mass yield of coal briquettes with high quality characteristics, which indicates the promise of utilizing sunflower husk by conductive pyrolysis in the fuel feed for the metallurgical industry.
conductive pyrolysis, sunflower husk, high-strength coal briquettes, plant waste, alternative energy sources
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. Kuznetsov M.G. Mathematical modeling of a conical installation for wet grinding. [Matematicheskoe modelirovanie konicheskoy ustanovki dlya mokrogo izmelcheniya]. / M. G. Kuznetsov, V. V. Kharkov, N. Z. Dubkova // Vestnik tekhnologicheskogo universiteta. - The Herald of Technological University. - 2016. - Vol. 19. - № 20. - P. 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. Kharkov V.V. Features of modeling the process of dry fractionation of leguminous raw materials. [Osobennosti modelirovaniya protsessa sukhogo fraktsionirovaniya zernobobovogo syrya]. / V.V. Kharkov, A.N. Nikolaev // Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzhya. - Scientific and Technical herald of Volga Region. - 2019. - № 9. - P. 7-14.
8. Grachev A. N. The technology of rapid pyrolysis in the energy use of low-quality wood. [Tekhnologiya bystrogo piroliza pri energeticheskom ispolzovanii nizkokachestvennoy drevesiny]. / A. N. Grachev and others // Energetika Tatarstana. - Energy of Tatarstan. - 2008. - № 4. - P. 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. - C. 1-4.
11. Kharkov V.V. Thermochemical processing of sunflower husks. [Termokhimicheskaya pererabotka luzgi podsolnechnika]. / V. V. Khar'kov, D. V. Tuntsev, M. G. Kuznetsov // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - The Herald of Kazan State Agrarian University. - 2018. - Vol. 13. - № 4. - P. 130-134.
