Влияние режима теплового воздействия на состав продуктов пиролиза древесной биомассы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние режима теплового воздействия на состав продуктов пиролиза древесной биомассы

Кузнецов Гений Владимирович, Полсонгкрам Мэйтри

Кафедра теоретической и промышленной теплотехники

Энергетический институт

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Аннотация

Представлены результаты экспериментального исследования процессов термического разложения четырех типов древесной биомассы (липы, акации, эвкалипта и сосны). Они были выбраны как типичное сырье возобновляемых источников энергии и нагревались в специальном реакторе с неподвижным слоем. Цель исследований - изучение влияние температуры пиролиза на процесс получения газообразных, жидких и твердых продуктов процесса пиролиза.

Ключевые слова: биомасса, пиролиз, термическая обработка, реактор, продукты пиролиза.

Введение

Одним из наиболее перспективных и реальных вариантов развития на территории Рос-сии индустрии возобновляемых источников энергии является лесная биоэнергетика [1]. Возможны несколько вариантов использования биомассы (в первую очередь лесной) как для непосредственной выработки электрической и тепловой энергии, так и для производства биотоплива (жидкого или газообразного).

Но все варианты возможного использования биомассы включают циклы термической обработки сырья (например, древесины) при достаточно высоких температурах (сушка, пиролиз, газификация др.). Такая обработка приводит к конверсии биомассы в соответствующем технологическом цикле.

При этом образуются газообразные, жидкие и твёрдые продукты, которые в дальнейшем могут использоваться по своему назначению. Разработка технологий такого рода возможна только на базе адекватных представлений об основных закономерностях процессов физико-химических превращений древесины при нагреве до достаточно высоких (до 600 °С) температур.

При этом наиболее значимой является информация об изменении с ростом температуры доли летучих и жидких продуктов термической обработки биомассы. Но до настоящего времени нет таких экспериментальных данных даже по наиболее типичным и распространенным сортам древесины.

Поэтому целью данной работы является экспериментальное изучение основных законномерностей термического разложения четырех типичных сортов древесины.

Экспериментальная часть

Исследовались три лигноцеллюлозные материала (древесная биомасса): липа, акация, эвкалипт (провинция Нонхай, Тайланд), а также сосна (Томская область, Россия). Образцы древесины разрезались на маленькие кусочки (характерные размеры 1-5 мм длиной и менее чем 0.5 мм толщиной) с целью минимизации сопротивления тепло и массопереносу внутри частицы, затем высушивались в печи в течении 3 часов при 110 °С с целью удаления влаги.

При проведении опытов регистрировалось изменение веса образцов при различных температурах. Все эксперименты включали три основных этапа: сушка, удаление летучих в нейтральной среде, сжигание в кислороде. Непосредственный анализ свежего сырья был проведен согласно тестовым методам Американской Ассоциации Тестирования и Материалов (АSТМ) [2-4].

Экспериментальная установка представляла собой комплекс на базе реактора для атмосферного пиролиза (реактор, конденсатор, конденсатосборник и источник гелия). Размер реактора был 40 мм в диаметре. Нагрев осуществлялся электронагревателем. Гелий подводился с целью замещения воздуха в реакторе для поддержания нейтральной среды внутри реактора. Максимальная емкость загрузки сосуда реактора составляла 20 г образцов древесной биомассы.

Конденсатор имел форму спиралевидной трубы, вода при температуре 10 ^оС использовалась как охладительная жидкость. Эксперименты проведены при температурах пиролиза от 250-600 ^оС при постоянном темпе нагрева 50 ^оС/мин. Температура внутри реактора контролировалась термопарами. Каждый эксперимент продолжался по 3 часа с целью полного завершения пиролиза образца и охлаждения реактора до комнатной температуры.

Образцы свежего сырья весом до 20 г помещались в специальный лоток и затем в реактор. Перед экспериментом из системы удалялся воздух путем ввода гелия в течении 5 минут при расходе 2 л/мин.

Образец затем нагревался до заданной температуры. В процесс нагрева, система была установлена на давление незначительно превышающее атмосферное. Эксперименты проводились при различных температурах пиролиза и выбранного сырья. Пиролизный газ собирался в контейнер с водой. Объем воды измерялся, затем определялся объем газа. Жидкие продукты собирались на точке сбора жидкости. Вес различных полученных продуктов определялся взвешиванием твердого остатка (уголь) и расчетом разницы собранной жидкости и выделенного газа.

Определялась доля каждой компоненты от веса исходного сырья и как функция температуры пиролиза. С целью обоснования достоверности результатов измерения все эксперименты трижды повторялись при фиксированной температуре. Определялись средние значения и среднеквадратические отклонения.

Ранее [5-7] установлено, что при температуре ниже 260 ^оС имеет место только обугливание древесных материалов.

Деполимеризация обычно протекает в диапазоне от 270-400 ^оС. Гемицеллюлоза быстро преобразуется в метанол и уксусную кислоту между 200-280 ^оС. При температурах от 200-500 ^оС целлюлоза термически разлагается, причем максимум скорости деструкции достигается при 320 ^оС. Лигнин разлагается только при температуре свыше 280 ^оС, формируя в основном смолу и сухой остаток [5, 6, 7].

термический пиролиз древесная биомасса

Результаты и их обсуждение

Результаты проведенных экспериментов приведены на рис. 1-4.

Рис. 1. Зависимость состава продуктов термического разложения липы (массовой доли) от температуры: 1 - жидкие, 2 - твердые, 3 - газообразные

Установлены доли твердого остатка, жидкости и газа при различных температурах. Разложение образцов биомассы начиналось при относительно низкой температуре ?250 ^оС Выход жидкости при этом небольшой.

При повышении температуры пиролиза выход жидкости увеличивается до достижения максимума при 450-600 ^оС (в зависимости от типа древесины). При температуре ниже 400 ^оС выход жидкости несколько уменьшается возможно из-за реакций коксования масла (при пре-вращении жидкого масла в твердые продукты) [8]. Максимум выхода жидкости достигался при температуре 450-600 ^оС при среднем темпе нагрева 50 ^оС/мин. С ростом температуры имело место последовательное увеличение выхода газа от 300-500 ^оС.

Рис. 2. Зависимость состава продуктов термического разложения акации (массовой доли) от температуры: 1 - жидкие, 2 - твердые, 3 - газообразные

Рис. 3. Зависимость состава продуктов термического разложения сосны (массовой доли) от температуры: 1 - жидкие, 2 - твердые, 3 - газообразные

Рис 4. Зависимость состава продуктов термического разложения эвкалипта (массовой доли) от температуры: 1 - жидкие, 2 - твердые, 3 - газообразные

Рост выхода газа сопровождался уменьшением (в диапазоне 550-600 ^оС) твердого остатка. Выход газа варьировался от 8-30% для акации, от 13-26.5% для эвкалипта, от 18-33.5% для липы и от 10.5-27% для сосны, тогда как выход жидкости варьировался от 12-49% для всех пород в пределах изучаемого диапазона температур 250-600 ^оС.

Выводы

В результате термического разложения четырех типов древесной биомассы (липы, акации, эвкалипта и сосны) диапазоне изменения температур от 250^-600 ^оС выход угля в процессе пиролиза исследовавшихся материалов уменьшается от 80% (при ~250 ^оС) до 25% (при ~600 ^оС). Отклонения по типам древесины при этом не превышают 3-5%. С ростом температуры в этом диапазоне изменения выход жидких продуктов (водяная и масляная компоненты) увеличивается почти в пять раз. Максимальный выход жидких компонентов у сосны и эвкалипта, минимальный у липы. Выход газов при изменении температуры от 250-600 ^оС увеличивается почти в 2 раза. Максимальный выход у липы.

Литература

1. Головков С.И., Коперин И.Ф., Найдёнов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. М.: Лесная промышленность. 1987. 224с.

2. ASTM Standards, mil. Standard Test Methods for Analysis of Wood Fuel. U.S.A. American Society for Testing and Materials. 1986.

3. ASTM Standards, E872. Standard Test Methods for Analysis of Wood Fuel. U.S.A. American Society for Testing and Materials. 1986.

4. ASTM Standards, D1102. Standard Test Methods for Analysis of Wood Fuel. U.S.A. American Society for Testing and Materials. 1986.

5. Muller-Hagedora, M. and Bockorn, H., Pyrolytic behavior of different biomasses (angiosperms) (maize plants, straws and wood) in low temperature pyrolysis. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2007. Vol.79. P.136-146.

6. Park H.J. Pyrolysis characteristics of Oriental white oak: Kinetic study and fast pyrolysis in a fluidized bed with an improved reaction system. Fuel Process. Technil. 2008. doi: 10.1016/j.fupro.2008.08.017

7. Saravana Sampath, S. and Babu, B.V., Energy and Useful Products from Waste Using Pyrolysis: A State-of-the-Art Review, Session: Energy Engineering. New Delhi, India. 2005. [online] available: http://discoverv.bits-pilani.ac.in/~bvbabu/PvrSB CC 2005.pdf

8. Peters, B. and Bruch, C, Drying and pyrolysis of wood particles: experiments and simulation. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2003. Vol.70. P.233-250.

9. Rajvanshi F.K. Biomass Gasification. Alternative Energy in Agriculture. Vol.2(83-102). [online] available: http:/nariphaltan.virtualave.net/Gasifier.pdf

Размещено на Allbest.ru