Методика расчета пиролизной зоны в установке производства активированного угля
DOI:
https://doi.org/10.22213/2413-1172-2021-3-26-35Ключевые слова:
активированный уголь, органические отходы, пиролиз, теплоперенос, массоперенос, пиролизный газ, ресурсосбережениеАннотация
Активированный уголь можно получить разными путями. Наиболее перспективным в плане ресурсосбережения и экономической выгоды является способ получения активированного угля из органических отходов. Производство активированного угля по данному методу основано на процессе пирогенетического разложения предварительно измельченных и высушенных отходов. В результате термохимической переработки образуются активированный уголь и пиролизный газ. Кондуктивный пиролиз отходов - это высокотемпературный процесс, протекающий без доступа кислорода. Температурные режимы процесса пиролиза описываются дифференциальным уравнением теплопереноса. Расчет удельных масс, образовавшихся при разложении отходов, угля и парогазовой смеси, ведется по дифференциальным уравнениям массопереноса, осложненным протекающими химическими реакциями. Аппаратурное оформление процесса пиролиза представляет собой совокупность сложных конструкторских и технологических решений. При разработке оборудования, предназначенного для пиролиза измельченных отходов, необходимо проводить расчеты, связанные с оптимизацией аппаратурного оформления и режимных параметров процесса термического разложения частиц отходов, позволяющих получить качественный продукт. Для энерго- и ресурсосберегающей непрерывно действующей установки производства активированного угля разработана зона пиролиза измельченных отходов. Прогрев отходов до температуры 450…550 оС осуществляется неконденсирующимися горючими газами, полученными при сепарации парогазовой смеси. Отработанные топочные газы попадают в рекуперативный теплообменник, а затем служат теплоносителем для сушки новой партии отходов. Представлена методика расчета пиролизной зоны в установке производства активированного угля, а также математическая модель процесса пиролиза, по которой можно определить оптимальную высоту слоя частиц отходов и удельные массы образовавшихся угля и газов при разложении органических отходов. Разработан алгоритм расчета пиролизной зоны. Приведена зависимость температуры нагрева слоя древесных частиц в камере пиролиза, описывающая конвективный теплообмен, происходящий между насыпным слоем отходов и стенкой камеры пиролиза; по зависимости определена оптимальная ширина камеры пиролиза. Получена кинетическая зависимость удельной массы твердого остатка древесных частиц при пиролизе, характеризующая массообмен при термохимическом превращении отходов в углеродистый остаток. Эта зависимость показывает динамику изменения массы твердой фракции во времени при разложении отходов; кинетические кривые показывают скорость протекающих химических реакций при пиролизе, а также конечную удельную массу угля. Представлен расчет зоны пиролиза угля для установки производства активированного угля.Библиографические ссылки
Место активных углей в экологии и экономике, новые технологии их производства / В. М. Мухин, А. А. Курилкин, Н. Л. Воропаева, К. В. Лексюкова, П. В Учанов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2016. Т. 16, № 3. С. 346-353.
Zhang W. Biowaste derived porous carbon sponge for high performance supercapacitors. J. of Materials Science and Technology, 2020, 55, pp. 105-113. DOI: 10.1007/s10853-019-04343-5.
Rocha L. S. Sustainable and recoverable waste-based magnetic nanocomposites used for the removal of pharmaceuticals from wastewater. Chemical Engineering Journal, 129974, 2021, 426, pp. 115-127. DOI: 10.1016/ j.cej.2021.129974.
Mo L. Visible-light excitable thermally activated delayed fluorescence in aqueous solution from F, N-doped carbon dots confined in silica nanoparticle. Chemical Engineering J., 2021, 426, pp. 256-268.
Zhang B., Petcher S., Gao H. Magnetic sulfur-doped carbons for mercury adsorption. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 603, pp. 728-737. DOI: 10.1016/j.jcis.2021.06.129.
Woo H. C., Jhung S. H. Adsorptive removal of nitro- or sulfonate-containing dyes by a functional metal-organic framework. Quantitative contribution of hydrogen bonding: Chemical Engineering J., 2021, 425, pp. 728-737.
Nizam N. U. M., Hanafiah M. M., Mahmoudi E., Halim A. A., Mohammad A. W. The removal of anionic and cationic dyes from an aqueous solution using biomass-based activated carbon. Scientific Reports, 2021, 11, pp. 205-220. DOI: org/10.1038/s41598-021-88084-z.
Filho A. V. Optimization of cationic dye removal using a high surface area-activated carbon from water treatment sludge. Bulletin of Materials Science, 2021, 44, pp. 41. DOI: org/10.1007/s12034-020-02333-x.
Manigomba J. A. Prospects for biomass energy use in the republic of Burundi. International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET). 2019, 10, I. pp. 1371-1382.
Antal M. J. Biomass pyrolysis: a review of the literature. Part I. Carbohydratel pyrolysis. In solar Energy, 2021, 1983, pp. 61-111. doi.org/10.1007/978-1-4684-8992-7_3.
Mettler M. S., Vlachos D. G., Dauenhauer P. J. Top ten fundamental challenges of biomass pyrolysis for biofuels. Energy Environ Sci., 2021, 2012, pp. 797-809.
Sadrtdinov A. R. Modeling of thermal treatment of wood waste in the gasifiers. Automation and Control Systems: Proc. of 2015 International Conference on Mechanical Engineering, MEACS 2015, 2015, 7414914.
Cybulak M. The influence of biochar on the content of carbon and the chemical transformations of fallow and grassland humic acids. Scientific Reports, 2021, 11, pp. 56-98.
Sun Y. Pyrolysis of flaxseed residue: Exploration of characteristics of the biochar and bio-oil products. J. of the Energy Institute, 2021, 87, рp. 1-12.
Li J. Pyrolysis characteristics and non-isothermal kinetics of waste wood biomass. Energy, 2021, vol. 226, 120358. DOI: 10.1016/j.energy.2021.120358.
Chen Z. The fast co-pyrolysis study of PVC and biomass for disposing of solid wastes and resource utilization in N2 and CO2. Process Safety and Environmental Protection, 2021, vol. 150, рp. 486-489.
Suriapparao D. V., Vinu R. Biomass waste conversion into value-added products via microwave-assisted Co-Pyrolysis platform. Renewable Energy, 2021, vol. 170, pp. 400-409.
Sobek S., Werle S. Solar pyrolysis of waste biomass: A comparative study of products distribution, in situ heating behavior, and application of model-free kinetic predictions. Renewable Energy, 2019, vol. 143, pp. 1939-1948.
Paulauskas R., Zakarauskas K., Striūgas N. An intensification of biomass and waste char gasification in a gasifier. Energies, 2021, vol. 14, pp. 1983.
Fernandes B. C. C. Impact of pyrolysis temperature on the properties of eucalyptus wood-derived biochar. Materials, 2020, vol. 3, рp. 1-13.
Патент РФ № 2694347, 11.07.2019. МПК С 10 B 53/00. Способ получения активированного угля / Сафин Р. Г. [и др.].
Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. М. : Машиностроение, 1970. 752 с.
