ДРЕВЕСНО-БИОУГОЛЬНЫЕ БРИКЕТЫ ИЗ ОТХОДОВ БИОМАССЫ ДЕРЕВА В КАЧЕСТВЕ УГЛЕРОДИСТОГО ВОССТАНОВИТЕЛЯ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ СОЛНЕЧНОГО КРЕМНИЯ
Ефимов В. С., Литвинов В. В., Кузин А. А.
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова, Санкт-Петербург, *****@***com
Древесно-биоугольные брикеты в настоящее время рассматриваются как полноценная замена кускового биоугля в перспективе расширения сфер его применения. В первую очередь это связано с возможностью квалифицированного использования неизбежных отходов древесного сырья при лесозаготовках, лесопилении и деревообработке, а также получения конечного товарного продукта с заранее заданными характеристиками по размерам, составу, теплофизическим и теплохимическим свойствам. [1]
В производстве промышленных топлив, биоугольных брикетов и рудобрикетов используют связующие органического или минерального происхождения с минимальной стоимостью. Брикетированный биоуголь имеет достаточную прочность, высокую истинную и насыпную плотность, а это снимает основные препятствия для логистики его транспортировки на значительные расстояния, т. е. увеличение объемной плотности биоугольных брикетов фактически в два раза уменьшает транспортные издержки. Все выше изложенное позволяет отнести производство данных продуктов к ресурсосберегающим технологиям, а улучшение качества и придание специфических свойств биоугольным брикетам приводит к повышению их потребительской стоимости и расширению ассортимента выпускаемой продукции. В первую очередь, это относится к безугарному бытовому топливу, качественному промышленному углеродистому восстановителю и рудо-угольным брикетам для выплавки Si, Mg, Са и ферросплавов [2]. В свою очередь, многотоннажное производство дисперсного и брикетированного биоугля позволит перейти на современные методы ультрапиролиза биомассы дерева [3, 4], которые открывают существенные возможности использования действительной автоматизации новых технологических процессов для эффективной термохимической переработки отходов древесины.
Целью данной работы является разработка технологии производства жидкого котельного топлива для энергетических нужд и качественных промышленных углеродистых восстановителей для выплавки «солнечного» кремния из отходов биомассы дерева. Принципиальная схема переработки технологической хвойной щепы методом ультраоксипиролиза представлена на рисунке 1.
Производство кремния предъявляет наиболее жесткие требования к углеродистым восстановителям, которые должны содержать минимальное количество примесей железа 0,1 %, алюминия 0,4 % и кальция 0,4 % определяющих сортность кремния [2]. Восстановитель должен обладать прочностью на сжатие не менее 7 МПа, ровным фракционным составом, фракция более 12 мм, высокой реакционной способностью, большим содержанием нелетучего углерода, кажущейся объёмной массой не менее 250…350 кг/м3 и электросопротивлением не менее 1·1О4 Ом·м. В качестве связующих в этом случае нашли применение древесные пирогенные смолы — таблица 1.
Таблица 1: Характеристика биоугольных брикетов с древесными пирогенными смолами [1]
Показатели | Связующие | ||||
Отстойная смола Карбохим ЛХК | Раство-римая смола Карбохим ЛХК | Суммарная смола Карбохим ЛХК | Экстакцион-ная смола Карбохим ЛХК | Экстакцион-ная смола Амзинского ЛХК | |
Характеристика брикетов: | |||||
Золы, % | 2,6 | 3,5 | 3,5 | 3,2 | 2,8 |
Летучих в-в, % | 2,7 | 2,0 | 2,2 | 3,7 | 3,2 |
Прочность на сжатие, МПа | 5 | 9 | 6 | 4 | 6 |
В ЛТУ экспериментально был найден оптимальный состав брикетной шихты при использовании фракции древесного угля с размером частиц менее 0,1 мм и суммарной смолы: 66,6 % угля и 33,3 % смолы без ввода дополнительного количества воды. Биоугольные «зеленые» брикеты не трескались и не рассыпались при извлечении их из пресс-формы. Прокаливание биоугольных брикетов производилось по заданной программе в течение 8 часов до 550ºС. Биоугольный брикет после прокалки представлен на рисунке 2. Выход брикетов по массе составил 73 %. Обнаружена тенденция выхода прокаленных брикетов в зависимости от количества связующего. Для соотношения 1:1. Выход прокаленных брикетов составил 62-70% для 1:0,33: 78-84%. Выход брикетов от угля 140%. Полученные данные показывают, что зольность не превышает 1,5% у брикетов из древесины ели и 2% у брикетов из древесины сосны, объем пор составляет до 0,68 см3/г у ели и до 0,83 см3/г у сосны, а так же механическая прочность до 17,5 МПа/см2 у ели и до 13,7 МПа/см2 у сосны.
|
Рисунок 2: Биоугольный брикет полученный в лабораторных условиях
По показателям прочности, содержания летучих веществ, геометрическим размерам и примененному связующему брикеты подходят для использования в качестве промышленных [5], что видно из таблицы 2.
Таблица 2 Характеристика брикетов с использованием связующего суммарной пирогенной смолы
Показатели | Прокаленные брикеты |
Предел прочности на сжатие, МПа | 6,0/17,5/13,7 |
Влажность, % | 6 |
Зольность, % | 0,7 |
Количество летучих, % | 11,8 |
Количество нелетучего углерода, % | 85,2 |
Истинная плотность, кг/м3 | 645 |
Насыпная плотность, кг/м3 | 460 |
Пористость, % | 50 |
Содержание «вредных» элементов, %: | |
Ca | 0,14 |
Fe | 0,005 |
Al | 0,01 |
Ti | 0,01 |
Результаты проведенного количественного элементного анализа золы полученных брикетов показали, что содержание «вредных» элементов в брикете соответствует стандарту на углеродный восстановитель для выплавки кремния высшего сорта КР‑00. Примеси в кремнии при использовании полученных брикетов в качестве углеродистого восстановителя, будут составлять не более: Fe – 0,01 %, Ca – 0,28 %, Al – 0,02 %, что намного ниже требований, предъявляемых ГОСТ 2169-69. Содержание вредных элементов, подтвержденные компанией Microanalysis из Вильмингтон США по методу ICP-AES (with bomb digestion): Al= 0,06% что в 7 раз меньше нормы, Ca=0,29%, Fe=0,15% у брикетов из сосны и 0,03% у брикетов из ели, P=0,02%, а так же следы Ag, Al, As, Au, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Ge, Hf, Hg, Ho, In, Ir, K, La, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Na, Nb, Nd, Ni, Os, P, Pb, Pd, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, S, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Ta, Tc, Te, Th, Ti, Tl, Tm, V, U, W, Y, Yb, Zn, Zr.
Библиографический список
1. Ширшиков В. И., В. В. Литвинов, В. Н. Пиялкин Химия и технология производства древесно-угольных брикетов.-СПб.: ХИМИЗДАТ, 2012.;
2. Варюшенков, А. М. И др. Применение древесноугольных брикетов при производстве кристаллического кремния [Текст] / А. М. Варюшенков, Исаева Е. П. и др, // Лесохимия и подсочка. - М.: ВНИИПИЭИлеспромNo 4 – с. 13;
3. Пиялкин, В. Н. Проблемы и перспективы производства продуктов пиролиза из отходов древесного сырья [Текст] / В. Н. Пиялкин, Прокопьев С. А., Пильщиков Ю. Н., Ширшиков В. И. // Международная специализированная выставка «Биотоп экспо», Спб, 2006. с. 72-73, 20-22.06.06.;
4. Пиялкин, В. Н. Методика расчета температурных критериев при ультрапиролизе древесного сырья [текст] / В. Н. Пиялкин, Ширшиков В. И., Литвинов В. В. //.-Спб: СПбГЛТА, 2010.-108 с.
5. Пиялкин В. Н., Ширшиков В. И., Леонович А. А. К вопросу о монолитизации древесно-угольных брикетов Известия ГОУ ВПО Санкт-Петербургского лесотехнического университета, 2012 г. 14 с.
BIOCHARCOAL BRIQUETTES FROM WOOD BIOMASS FOR PRODUCTION OF FERROALLOYS AND SILICON POWER
Litvinov V. V., Kuzin A. A.
Saint-Petersburg state forest technical university, Saint-Petersburg
The article is devoted to production biocharcoal briquettes from wood biomass for production of ferroalloys and silicon power. We consider the transformation of high-binders in the process of calcination, and found the optimum temperature of 500… 550 oC and a heating rate of 70 deg / h. Resume of perspectivity of reviewed technologies usage for production of industrial briquettes was performed.
Цель данной статьи – показать технологию получения древесно-биоугольных брикетов из отходов биомассы дерева и применения поледних в производстве технического и солнечного кремния в качестве углеродистого восстановителя. Найдены оптимальные условия прокалки биобриктов при режиме 500-550 ºС и скорости нагрева 70 град/ч. Представлены перспективы и оценка применения биобрикетов.
