IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Биомасса, в первую очередь древесная – четвертый по значимости источник энергии после угля, нефти и природного газа. Использование древесной биомассы вместо ископаемого топлива способно уменьшить глобальное потепление, вызванное увеличенной атмосферной концентрацией CO₂, кроме того, древесная биомасса может быть преобразована в жидкие топлива – заменители бензина и дизельного топлива.

В настоящее время быстрый пиролиз утвердился как технология термохимической конверсии биомассы (БМ) со значительным потенциалом, особенно для высокого выхода жидкого топлива и химических продуктов. Этот тип пиролиза используется с целью получения максимального количества газа либо жидкости в соответствии с установленной температурой процесса. Низкотемпературный быстрый пиролиз позволяет максимально увеличить долю жидкого продукта, которую легче и дешевле транспортировать [1].

Процесс пиролиза энергетически самообеспечен, так как сопровождается экзотермическими реакциями. Осуществление быстрого пиролиза требует соблюдения определенных условий (рисунок 1). Прежде всего, исходная сырая биомасса должна быть подсушена, чтобы не увеличивать суммарную долю влаги, которая образуется в процессе конверсии и достигает 15 %, и не снижать эффективность пиролиза. Измельчение исходного сырья способствует увеличению скорости нагрева и обеспечивает высокий выход жидкого продукта. Количество определенных химических продуктов разложения возрастает, если сырье подвергается предварительной кислотной промывке.

Рисунок 1 - Схема пиролиза биомассы

Конструкция реактора должна обеспечивать высокую интенсивность теплоотдачи. Это наблюдается в реакторах с кипящим циркулирующим слоем, в которых осуществляется контакт – между твердыми нагретыми инертными частицами и биомассой [2, 3]. В реакторах циркуляционного типа термическое сопротивление стенки ограничивает производительность процесса пиролиза. Поддержание температуры процесса на уровне 500 … 520°С необходимо для максимального образования жидких продуктов при разложении древесины.

В основу математической модели процесса пиролиза положено применение многостадийной схемы разложения химических компонентов биомассы, реализованной с учетом времени пребывания смолы в слое раскаленного кокса и температуры слоя.

Многостадийная схема термического разложения биомассы (рисунок 2) представляется суммой отдельных реакций разложения основных элементов биомассы – целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина [3, 4].

При этом значения констант скоростей для соответствующих реакций термического разложения , , , , , , , , и определяются в соответствии с законом Аррениуса

(1)

где – предэкспоненциальный множитель, ; – энергия активации, ; R – универсальная газовая постоянная, ; Т – температура биомассы, (К).

Значения , , а также значения массовых коэффициентов образования кокса х^Ц , х^Г , х^Л и величины тепловых эффектов реакций Q определяются опытным путем.

Рисунок 2 - Многостадийная схема разложения биомассы

Такой подход является универсальным и позволяет применять данною схему при математическом моделировании процесса пиролиза любого вида биомассы. Значения тепловых эффектов реакций позволяет определить суммарный тепловой эффект процесса пиролиза в целом, что является важным при составлении общего теплового баланса процесса.

Учет вторичных реакций пиролиза является необходимым условием для устранения несоответствия между экспериментальными наблюдениями и математическими прогнозами.

Для оценки характера изменения выхода продуктов пиролиза - кокса, газа и смолы, в зависимости от температуры и времени термической обработки биомассы предлагается использовать экспериментальную установку (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки по исследованию процесса пиролиза биомассы в плотном слое:

1 – электропечь № 1; 2 – смолоулавитель; 3 – газгольдер; 4 – газовая горелка; 5 – манометры; 6 – электропечь № 2; 7 – газовый хроматограф; 8 – термоэлектрические термометры; 9 – вторичный прибор для измерения температуры

Биомасса взвешивается и помещается в реторту, которая устанавливается в предварительно разогретую электропечь № 1. Выделившиеся в процессе пиролиза газы, поступают в аппарат барботажного типа 2 для очистки газа от содержащихся в нем смол. Очищенный газ поступает в газгольдер 3 и дожигается на газовой горелке 4. Периодически из газгольдеров производится отбор проб газа для определения его состава на газовом хроматографе.

Потенциальными потребителями получаемого продукта являются агропромышленные предприятия, заинтересованные в переработке биомассы, предприятия малых форм хозяйствования, использующие природный газ в качестве топлива.

Список использованных источников

1. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки / Пер. с англ. М. Ф. Пушкарева; Под ред. Е. А. Бирюковой. - М.: Агропромиздат, 1987. - 152 с.

2. Холманский А.С. Экспресс-анализ теплотворной способности топлива // Вестник РАСХН. -2008. -№ 4. С. 93-94

3. Кремнева Е. В. Исследование термического разложение биомассы в режиме фильтрационного горения / Кремнева Е. В., Губинский М. В., Шевченко Г. Л., Адаменко Д. С., Шишко Ю. В. // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов национальной металлургической академии Украины. – Днепропетровск : Пороги, 2009. – С. 283-291.

4. Т.Ю. Салова, Н.Ю. Громова, Е.А. Громова. Термические методы переработки органических отходов. Источники возобновляемой энергии Монография. СПб.: СПбГАУ, 2016. -.224 с.

Код для цитирования: Скопировать