WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

МАЙТРИ ПОЛСОНГКРАМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ РЕГУЛИРУЕМОМ ТЕРМИЧЕСКОМ РАЗЛОЖЕНИИ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ Специальность 01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск, 2012 год

Работа выполнена на кафедре «Парогенераторостроения и парогенераторных установок» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Кузнецов Гений Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Мамонтов Геннадий Яковлевич Томский государственный архитектурно-строительный университет кандидат технических наук, доцент Ермоченков Михаил Геннадьевич Московский государственный университет леса (МГУЛ)

Ведущая организация: ФГБУН Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН)

Защита диссертации состоится «25» июня 2012 г. в ___ час.___мин. в 217-8к.

аудитории _____ ТПУ на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.269.13 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: г.

Томск, проспект Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

22 мая

Автореферат разослан «__»__________2012 г.

Ученый секретарь совета к.т.н., доцент А.С. Матвеев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Почти 80% потребления энергии в мире базируется на ископаемом топливе.

Основные прогнозы мирового энергопотребления сводятся к тому, что к 2020 году оно возрастет на 40%, а основным энергоносителем станет природный газ. Чтобы решить три главные проблемы 21 века: необходимость производства достаточного количества продовольствия и энергии для населения планеты, а также поддержания экономического роста наряду с сохранением окружающей среды, невозможно продолжать увеличивать потребление конечных запасов ископаемых топлив, использование которых приводит к изменению климата и глобальному потеплению. Мир должен перейти к более современным источникам энергии, таким, например, как биомасса.

Биомасса (в первую очередь древесная) – четвертый по значимости источник энергии во всем мире после угля, нефти и природного газа. Древесная биомасса может быть использована в ближайшем будущем как источник энергии для коммерческого и промышленного применения в достаточно крупных масштабах. 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.

Но, несмотря на перспективность этого вида сырья до настоящего времени отсутствуют масштабные примеры применения технологий получения электрической энергии, топлива и других видов товарной продукции из древесной биомассы как в целом в мире, так и в особенности на территории России. Причин невостребованности таких технологий в современных условиях может быть много, но главная состоит в недостаточной научной проработке проблемы. Так, например, пока нет научного обоснования энергоэффективности использования самой доступной и широко распространенной в России древесной биомассы. Большое значение данная проблема имеет для стран Юго-Восточной Азии, в частности, Таиланда, где при недостаточности ископаемых углеводородов, в промышленных масштабах на специальных плантациях выращиваются быстро воспроизводимые разновидности древесины для энергетического использования при прямом сжигании.

В настоящее время отсутствует как теория термоконверсионных процессов этого вида биомассы, так и экспериментальные данные о закономерностях процессов термического разложения разных видов древесины в регулируемых по температуре и темпу нагрева условиях. Известные экспериментальные данные достаточно разрознены, противоречивы и пока показывают только отличия схем термического разложения и выхода конечных продуктов различных видов древесины.

Цель работы. Целью работы является установление в результате экспериментальных исследований основных закономерностей процессов физикохимических превращений в представительной группе видов древесной биомассы при нагреве до температур интенсивной термической конверсии.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:

1. Разработка методики экспериментального исследования термического разложения древесной биомассы в инертной среде для наиболее перспективных в практике диапазонов изменения температур.

2. Проведение экспериментальных исследований основных закономерностей медленного пиролиза шести разновидностей биомассы (Leucaena leucocephala, Eucalyptus camaldulensis, Acacia mangium Willd, Jatropha curcas Linn, Acacia auriculaeformis, древесина сосны (сибирский кедр)).

3. Выделение диапазонов температур, соответствующих для каждой разновидности исследуемых биомасс определенным стадиям конверсии вещества.

Научная новизна:

1. Разработана методика экспериментального исследования термического разложения древесной биомассы в инертной среде для наиболее перспективных в практике диапазонов изменения температур.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования основных закономерностей медленного пиролиза шести разновидностей биомассы (Leucaena leucocephala, Eucalyptus camaldulensis, Acacia mangium Willd, Jatropha curcas Linn, Acacia auriculaeformis, древесина сосны (сибирский кедр)).

3. Установлены масштабы влияния темпа нагрева образцов биомассы на качественный состав и количественные характеристики конечных продуктов пиролиза.

4. Получены зависимости долевых концентраций жидких, твердых и газообразных продуктов конверсии биомассы от конечной температуры нагрева исходного сырья.

5. Установлен состав газообразных продуктов пиролиза исследовавшихся разновидностей древесной биомассы.

6. Показана общность механизмов термического разложения шести разновидностей древесной биомассы, отражающая в подобии зависимостей состава (% мас.) их продуктов пиролиза от температуры.

7. Выделены температурные диапазоны максимального выхода жидких, твердых и газообразных продуктов термического разложения исследовавшихся видов биомассы.

8. Обоснована возможность регулирования состава продуктов термического разложения большой группы видов древесной биомассы путем изменения термохимических параметров процесса (температура, скорость нагревания).

9. Выделены диапазоны температур, соответствующие для каждой разновидности исследовавшейся биомассы определенным стадиям конверсии вещества.

Практическая значимость:

Полученные экспериментальные данные о температурных диапазонах и количественных параметрах регулируемого термического разложения шести разновидностей древесной биомассы (Leucaena leucocephala, Eucalyptus camaldulensis, Acacia mangium Willd, Jatropha curcas Linn, Acacia auriculaeformis, древесина сосны (сибирский кедр)) являются основой для оценки энергоэффективности процессов использования древесной биомассы для выработки электрической энергии, производства моторных топлив и других видов товарной продукции. Полученные автором диссертации экспериментальные данные также заполняют имеющийся в литературе пробел и могут быть использованы при проведении дальнейших исследований закономерностей термической конверсии древесной биомассы.

Достоверность и обоснованность результатов Обоснована использованием измерительного оборудования высокой точности и детальным анализом погрешностей всех результатов измерений, представленных в диссертации.

Автор защищает:

- методику проведения экспериментальных исследований;

- результаты экспериментальных исследований закономерностей регулируемого термического разложения шести разновидностей древесной биомассы;

- результаты анализа и обобщения полученных экспериментальных данных.

Личный вклад автора.

Автор лично сформулировал цель и задачи исследования; разработал методику эксперимента; подготовил, спланировал и выполнил все экспериментальные исследования; провел обработку и анализ погрешностей выполненных измерений; провел анализ полученных результатов; сформулировал основные выводы; подготовил текст рукописи диссертации на английском языке. В совместных с Г.В. Кузнецовым и Е.Е.

Бульбой публикациях – вклад М. Полсонгкрама составляет: в статье «Зависимость состава продуктов пиролиза древесной биомассы от режима теплового воздействия» [5] – 70%; в публикации «Оценка эффективности технологий получения топлива и энергии из биомассы» [6] – 75%; в публикации «Анализ эффективности технологий получения энергии из растительной биомассы» [7] – 75%.

Апробация и публикации. Результаты работы были представлены на XVI и XVII Международной конференции «Современная техника и технологии», 12-16 апреля 2010г.

и 18-22 апреля 2011г., г.Томск, на I и II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», 2426 июня 2010 г. и 06-08 октября 2011г., г. Томск, на IV Научно-практической конференции иностранных студентов, магистрантов и аспирантов НИ ТПУ, июнь 2010г., г. Томск, на VII Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике, сентябрь 2011г., г. Кемерово.

Основное содержание работы

изложено в 10-ти публикациях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, трех приложений и списка литературы. Текст диссертации изложена на 116 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 20 таблиц.

Содержание работы Во введении раскрыта актуальность темы, дана ее общая характеристика.

В первой главе проведен аналитический обзор литературы по изучаемой проблеме.

Во второй главе представлена методика экспериментальных исследований и обработки результатов.

Материалами, выбранными для исследования, были шесть видов древесных биомасс. Древесина перед опытом разрезалась на мелкие кусочки, а затем высушивалась на солнце, чтобы уменьшить содержание влаги. Размер единичных гранул древесины составлял около 1-5мм в длину и менее 0,5мм в толщину (рис.1). Перед экспериментами образцы биомассы повторно сушили в течение 3 часов при температуре 110°С.

Эксперименты проводились с использованием реактора с неподвижным слоем, выполненного из нержавеющей стали (рис. 2). Экспериментальная установка состоит из реактора, конденсатора и коллектора жидкости, источника гелия. Реактор диаметром 40мм и 145мм в длину, выполнен с нагревательным контуром, который включает Рис. 1 Образец древесной биомассы перед контроллеры температуры и реле времени. Нагрев экспериментом осуществлялся внешним электрическим источником. Газ (гелий) подавался в реактор для поддержания инертной атмосферы.

Рис. 2 Схема экспериментальной установки Максимальная загрузка емкости реактора составляла 20г древесной биомассы.

Конденсатор был изготовлен в виде винтовой спиральной трубки. Вода с температурой 10°С использовалась в качестве хладоагента. Эксперименты проводились при нагреве до различных конечных - рабочих температур в диапазоне от 250 - 600°С, со скоростью нагрева 10°C/мин и 50°C/мин. Температура в реакторе измерялась термопарами К-типа с погрешностью ± 1,5°С в диапазоне изменения от -40 ° C до 375 ° С и ± 0,004 T от 375 °C до 1000 °С. Суммарное время опыта составляло 3 часа. В каждом эксперименте 20г свежего сырья помещались в сосуд для образцов, а затем в реактор. В начале эксперимента система освобождалась от воздуха путем заполнения гелием в течение минут с расходом 2 л/мин. Затем материал нагревался до заданной температуры.

Температура реактора регулировалась системным контроллером. При нагреве давление в системе поддерживалось на уровне немногим выше атмосферного. Условия эксперимента соответствовали разным конечным температурам пиролиза и выбранного сырья.

Полученный газ собирался в резервуар с водой, часть в газовый мешок. Жидкий продукт собирался в коллекторе для жидкости. Выход различных продуктов определялся путем взвешивания твердого остатка и жидкости, которые были собраны, за вычетом выделившегося газа. Для измерений использовались весы ALL Ohaus PioneerТМ модельного ряда PA512 с ценой деления 0,01г и систематической погрешностью 10мг.

Выход выражался в процентах от массы сырья, в зависимости от температуры пиролиза.

Неконденсируемые газы, полученные в процессе пиролиза, переносились с помощью газового мешка для проведения анализа на газовом хроматографе (Shimadzu-GC-14B).

Предварительный экспресс-анализ состоял в определении потерь веса образца древесной биомассы, нагретой в указанных условиях, чтобы определить содержание влаги, летучих веществ, связанного углерода и золы в пробе древесной биомассы.

Содержание летучих веществ определялось путем нагревания образцов древесной биомассы до 900°С в камере (при отсутствии кислорода) и выдержке в течении 7мин.

Процесс осуществлялся в соответствии со стандартами ASTM E872. Зольность определялась путем сжигания образцов древесной биомассы при температуре 600°С с доступом воздуха и выдерживалась при этой температуре в течение 4 - 6 часов.

Оставшийся материал считался золой. Значение доли углерода использовалось для оценки количества кокса, который может быть получен из образца древесной биомассы.

Элементный анализ проводился с помощью элементного анализатора LECO CHNS-932 и выполнялся в расчете на сухую массу. Микрогазовый хроматограф Shimadzu-GC-14B был использован для анализа качественного и количественного состава газов – продуктов пиролиза образцов древесной биомассы. Газ, полученный из образцов древесной биомассы, из газового баллона вводился в приемную емкость и выполнялся анализ на газовом хроматографе. Газом-носителем был гелий. Объемные концентрации рассчитывались методом внешнего стандарта, основанные на линейной зависимости между концентрациями и площадью стандартной смеси, измеренными прибором и представленными ниже. До определения газового состава, газовый хроматограф был откалиброван. Калибровка газа проведена с использованием стандартной смеси: H2 (20%), воздух (35%), CH4 (5%), CO (20%) и СО2 (20%) с погрешностью H2 (2,2%), Воздух (0,4%), CH4 (1,3%), CO (2,8%) и СО2 (1,1%).

В третьей главе приведены основные результаты исследований процессов регулируемого термического разложения шести разновидностей биомассы.

Продукты, полученные путем пиролиза древесной биомассы, состояли из твердого углеродистого вещества, пиролизной жидкости и газа. Выход и состав конечных продуктов пиролиза существенно зависели от условий эксперимента. Исследовалось влияние температуры пиролиза, скорости нагревания и характеристик древесной биомассы на состав продуктов пиролиза. Проводилось также исследование состава и энергосодержания газа.

В проведенных экспериментах использовались пять видов древесной биомассы, произрастающей в Таиланде, и сибирская сосна (Томская область). Следует подчеркнуть, что в качестве объектов исследования были выбраны разновидности древесины в основном «короткого оборота рубки», которые могут использоваться как сырье для современных технологий термической конверсии, и которые можно выращивать на специальных плантациях в регионах Юго-Восточной Азии. Для этих разновидностей древесины характерными являются быстрые скорости роста ствола и ветвей.

Результаты анализа содержания компонентов и элементный состав исследовавшихся видов биомассы представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание компонентов и элементный состав исследовавшихся видов биомассы, % массы сухого вещества C H Oa N S Leucaena 11,48 78,04 20,40 1,56 46,90 3,87 48,48 0,72 0,03 CH0,99O0,78 17,leucocephala Acacia mangium 10,86 79,60 16,63 3,77 47,60 3,94 47,85 0,59 0,02 CH0,99O0,75 17,Willd.

Древесина сосны 13,76 79,41 19,11 1,47 47,30 5,38 45,92 1,4 ND CH1,36О0,73 18,(кедр сибирский) Jatropha Curcas Linn 11,48 84,39 12,37 3,23 46,80 6,53 41,57 4,88 0,22 CH1,67O0,67 19,Acacia 9,89 81,43 17,36 1,20 47,20 3,76 48,40 0,61 0,03 CH0,96O0,77 17,auriculaeformis Eucalyptus 13,00 78,53 19,10 2,37 48,10 5,27 46,24 0,34 0,05 CH1,31О0,72 18,camaldulensis По результатам экспериментов было установлено, что в исследовавшейся древесной биомассе содержится незначительное количество азота, серы и минеральных веществ. С учетом только основных элементов (С, Н, О), молекулярную формулу образцов древесной биомассы на основании одного атома углерода можно представить в виде СНхОу, (таблица 1). На основании результатов выполненных экспериментов установлено, что все образцы древесной биомассы являются перспективными источниками сырья для производства энергии. В древесине Leucaena leucocephala содержится наибольшее количество связанного углерода по сравнению с остальными исследованными видами древесной биомассы. Была определена высшая теплотворная способность (ВТС) изучавшихся видов древесной биомассы (таблица 1).

Серия экспериментов проводилась с целью выявления особенностей выхода продуктов пиролиза представительной группы нескольких сортов древесной биомассы при различных конечных температурах пиролиза и постоянной скорости нагрева С/мин. Наиболее типичные результаты исследований в виде зависимостей доли продуктов пиролиза (углеродистого остатка, жидкости и газов) различных сортов древесной биомассы от температуры процесса представлены на рис. 3-4. Установлено что интенсивное разложение биомассы начинается при температуре 250°C. Выход жидкости при низких температурах невысок. При повышении температуры пиролиза выход жидкости увеличивается и достигает максимума около 450°С.

Содержание влаги Летучие вещества Св. углерод Зола Молекулярная формула Высшая теплотворная способность (МДж/кг) Жидкость Жидкость Уголь Уголь 50 Газ Газ 200 250 300 350 400 450 500 550 600 6200 250 300 350 400 450 500 550 600 6Температура, °С Температура, °С Рис. 3 Влияние температуры на выход продуктов Рис. 4 Влияние температуры на выход продуктов пиролиза Leucaena leucocephala при скорости нагрева пиролиза древесины сосны (сибирского кедра) при 50°С/мин скорости нагрева 50°С/мин Максимальный выход жидкости достигался в температурном интервале 450 - 6° С при скорости нагрева 50°С мин-1. Выход газа увеличивался в интервале от 300°C до 600°С. В температурном интервале 250 - 600°С выход газа при пиролизе древесины Leucaena leucocephala составил от 10 до 27,5%, Eucalyptus camaldulensis от 13 до 26,5%, Acacia mangium Willd от 13 до 27,5%, Jatropha Curcas Linn от 18,5 до 33,5%, Acacia auriculaeformis от 8 до 30%, и при пиролизе древесной сосны от 10,5 до 27% соответственно. При этом выход жидкости для всех сортов древесины составлял от 12 до 49,5%.

Повышение выхода газа при одновременном уменьшении доли угля в температурном диапазоне 550 - 600 oC происходило, очевидно, за счет крекинга углерода с образованием газовой фракции. Уменьшение выхода углистого остатка при увеличении температуры объясняется как, в первую очередь, разложением непосредственно древесины при высокой температуре, так и вторичным разложением угольного остатка.

Его вторичное разложение при более высокой температуре также может привести к увеличению выхода газов при повышении температуры пиролиза. Более высокий выход твердого остатка в основном зарегистрирован при низкой температуре. В температурном диапазоне 250 - 350°С сохраняется высокая скорость потери массы, в то время как в ° диапазоне 450 - 600 С степень потери массы значительно снижается у всех видов древесины. Наибольший выход углистого остатка при пиролизе всех сортов биомассы составлял 80% (при 250 oC), минимальный составлял 24-28% (при 600 oC).

Результаты сравнения характеристик исследовавшихся видов древесины приведены на рис.5.

Изменения процесса выхода жидкости (рис. 5) в основном были аналогичными при пиролизе всех исследовавшихся видов древесной биомассы. По сравнению с другими ° сортами древесины при температуре 350 - 600 С пиролиз липы (Jatropha Curcas Linn) протекал с наименьшим выходом жидких продуктов (38,5% при 600 °С). По результатам экспериментов установлено, что максимальный выход жидкости составлял 44,5 - 49,5% Выход продукта (% масс.) Выход продукта (% масс.) при температуре пиролиза 600 °С пяти видов древесной биомассы: Leucaena leucocephala, Eucalyptus camaldulensis, Acacia mangium Willd, Acacia auriculaeformis и сосны.

30 200 250 300 350 400 450 500 550 600 6200 250 300 350 400 450 500 550 600 6Температура, °С Температура, °С Рис. 5 Сравнение выхода жидкости при пиролизе Рис. 6 Сравнение выхода угля при пиролизе различных различных сортов древесной биомассы при скорости сортов древесной биомассы при скорости нагрева нагрева 50°С/мин ( - Leucaena leucocephala, 50°С/мин ( - Leucaena leucocephala, - Eucalyptus camaldulensis, - Acacia mangium - Eucalyptus camaldulensis, - Acacia mangium Willd, Willd, - Jatropha curcas Linn, - Acacia - Jatropha curcas Linn, - Acacia auriculaeformis, auriculaeformis, – сосна) – сосна) На рис. 6 представлены сравнительные показатели влияния температуры на выход твердого остатка при пиролизе исследовавшихся сортов древесной биомассы. Ход конверсии всех сортов биомассы был достаточно адекватен. В температурном интервале 250 - 600°С выход углистого остатка при пиролизе древесины Leucaena leucocephala составил 25 - 72%, Eucalyptus camaldulensis - 25 - 68%, Acacia mangium Willd - 25,5 - 70,5%, Jatropha curcas Linn - 28 - 61,5%, Acacia auriculaeformis - 25,5 - 80% и древесины сосны - 24 - 76,5%. При пиролизе всех видов биомассы вес твердого остатка на выходе уменьшался начиная с 72 - 76% при температуре 250 °С до 20 - 38,5% при 600 °С.

Выход газов при пиролизе различных сортов древесной биомассы показан на рис. 7.

Образование газов проходит интенсивно в интервале 250 - 400 °С. Начиная с 450 - 600 oC выход газов заметно сокращается.

10 Полученные результаты показали, что кривые, характеризующие интенсивность образования 200 250 300 350 400 450 500 550 600 6газов, аналогичны для всех видов сырья. При Температура, °С пиролизе древесины липы (Jatropha curcas Рис. 7 Сравнение выхода газа при пиролизе Linn) выделялось наибольшее количество различных сортов древесной биомассы при скорости нагрева 50°С/мин ( - Leucaena leucocephala, - газов, а наименьшее (по сравнению с другими Eucalyptus camaldulensis, - Acacia mangium Willd, - Jatropha curcas Linn, - Acacia auriculaeformis, – сосна) образцами) древесины Leucaena leucocephala.

Химический состав биомассы Jatropha curcas Linn отличается от состава биомассы других видов (по содержанию гемицеллюлозы, целлюлозы, лигнина, органических и неорганических веществ). Jatropha curcas Linn — это кустарник с неплотным Выход угля, % Выход жидкости, % Выход газа, % расположением волокон, а прочие виды — это многолетние деревья с более плотно расположенными волокнами. Различия в структуре могут быть причиной разницы в количестве продуктов, полученных при пиролизе разных видов биомассы.

Серия экспериментов проводилась с целью установления влияние температуры на состав углистого остатка (доли связанного углерода и летучего вещества) при скорости нагревания 50 oC мин-1. Результаты опытов по отделению летучего вещества от твердого остатка (угля) представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Состав угля на выходе при различных температурах Температура (oC) Образец Состав биомассы (% масс.) 250 300 350 400 450 500 550 6Летучее вещество 71,67 61,87 44,11 36,25 39,10 30,85 27,14 18,Leucaena Leucocephala Связанный углерод 28,33 38,13 55,89 63,75 60,90 69,15 72,86 81,Летучее вещество 71,91 58,92 51,03 48,38 42,99 34,14 35,25 23,Eucalyptus Camaldulensis Связанный углерод 28,09 41,08 48,97 51,62 57,01 65,86 64,75 76,Летучее вещество 76,41 68,32 63,45 55,05 52,49 49,61 47,21 34,Acacia Mangium Willd, Связанный углерод 23,59 31,68 36,55 44,95 47,51 50,39 52,79 65,Летучее вещество 79,89 75,01 70,89 68,68 63,07 60,73 60,73 55,Jatropha Curcas Linn, Связанный углерод 20,11 24,99 29,11 31,32 36,93 39,27 39,27 44,Летучее вещество 78,30 66,29 56,05 54,32 45,75 43,08 38,00 31,Acacia Auriculaeformis Связанный углерод 21,70 33,71 43,95 45,68 54,25 56,92 62,00 68,Древесина Летучее вещество 75,02 61,78 55,56 42,96 36,30 29,22 29,22 20,сосны Связанный (сибирский 24,98 38,22 44,44 57,04 63,70 70,78 70,78 79,углерод кедр) Результаты экспериментов показали, что образование твердого остатка протекает одновременно с интенсивным выделением летучих продуктов. Доля летучего вещества в твердом остатке уменьшалась при увеличении температуры, однако увеличилась доля связанного углерода. В исходных образцах древесины Leucaena leucocephala, Eucalyptus camaldulensis, Acacia mangium Willd, Jatropha curcas Linn, Acacia auriculaeformis, сосны содержание летучего вещества составило 78,04 %, 78,53%, 79,60%, 84,39 %, 81,43% и o 79,41%, соответственно. При температуре 250 C из исходных образцов древесины выделилось от 20 до 38,5 % летучего вещества; при 400 oC от 60,5 до 66,5 %, и при 500 oC — более 67 % от исходного содержания летучих веществ во всех образцах. Выделение основного объема веществ проходило в малом температурном интервале при T 450 oC.

При повышении температуры кривая выделения летучих стала более плавной.

В температурном интервале 250 - 600 oC, содержание связанного углерода росло и составило от 28,33 до 81,60 % в древесине Leucaena leucocephala, от 28,09 до 76,40 % в древесине Eucalyptus camaldulensis, от 23,59 до 65,22 % в древесине Acacia mangium Willd, от 20,11 до 44,18 % в древесине Jatropha curcas Linn, от 21,70 до 68,08 % в древесине Acacia auriculaeformis и от 24,98 до 79,63% в сосновой древесине. Количество летучего вещества, полученного при пиролизе Jatropha curcas Linn, было значительно выше, чем у остальных видов древесины, благодаря тому, что основной компонент древесины данного вида содержит большее количество гемицеллюлозы по сравнению с другими видами. Вид Jatropha curcas Linn не имеет ядровой древесины, и его волокна расположены неплотно. С другой стороны, древесина Leucaena Laucocephala и сосны показали наивысшее содержание связанного углерода в угле, поэтому возможно, что их главный компонент содержит больше лигнина по сравнению с другими видами.

Серия экспериментов была проведена с целью установления влияние температуры на состав пирогаза. На рисунке 8. показаны концентрации CO, CO2, CH4 и воздуха (N2+ O2) в газе, полученном из древесин Leucaena leucocephala, Eucalyptus camaldulensis, Acacia mangium Willd., Jatropha curcas Linn., Acacia auriculaeformis и сосны, соответственно.

-250 300 350 400 450 500 550 600 6250 300 350 400 450 500 550 600 6Температура, °С Температура, °С Рис. 9 Сравнение показателей высшей теплотворной Рис. 8 Влияние температуры на состав газа, способности газообразного продукта пиролиза (HHVg) полученного при пиролизе древесины Leucaena - Leucaena leucocephala, - Eucalyptus camaldulensis, - ( leucocephala при скорости нагрева 50°С/мин ( – воздух Acacia mangium Willd, - Jatropha curcas Linn, - Acacia auriculaeformis, – сосна) (N2+O2), - CO, – CH4, – CO2) Наибольшее количество CH4 было обнаружено в газовом продукте, образовавшемся при пиролизе Acacia mangium Willd и древесины сосны. В то же время 600°C является оптимальной температурой для производства метана (23,47 % от объема полученного газа). Наибольшее количество CO2 было обнаружено в газовом продукте, o образовавшимся при пиролизе Jatropha curcas Linn при температуре 400 C (32,92 % от объема полученного газа). Как правило, окись углерода выделялась в больших количествах при пиролизе всех видов биомассы. Максимальное количество окиси углерода было получено при пиролизе древесины сосны (59,33 % от объема полученного газа) при температуре 300°C. В проведенных экспериментах H2 не был выделен.

Возможно, H2 содержался с пирогазе в ничтожно малом количестве. Следует отметить, что содержание метана установлены в экспериментах выше, чем ранее получено исследователями для многих других сортов древесины.

MДж/нм состав газа (объем, %) Высшая теплотворная способность, На рис. 9 представлены показатели ВТС пирогаза, полученного при пиролизе исследовавшихся сортов древесной биомассы. Высшая теплотворная способность растет с увеличением температуры. Древесина Acacia mangium Willd и древесина сосны дали больший выход пирогаза (CO + CH4) с высоким энергосодержанием (~ 15,33-15,МДж/м3). При этом газ, полученный из древесины Jatropha curcas Linn, имел самое низкое энергосодержание (~ 11.94 МДж/м3). Высшая теплотворная способность пирогаза, полученного в экспериментах, изменялась в диапазоне 7,16 15,33 МДж/м3 при o температуре от 300 до 600 C. Максимальная величина ВТС соответствует температуре 600°C. Газ с энергосодержанием 12 – 15 МДж/м3 является газовым топливом среднего уровня калорийности и может непосредственно использоваться для производства энергии в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах и паровых бойлерах.

Серия экспериментов проведена с целью установления влияние скорости нагрева на выход продуктов пиролиза при скоростях нагрева 10 oC мин-1 и 50 oC мин-1 и изменении конечной температуры пиролиза от 250 до 600 oC.

Установлено, что при температуре около 500 oC выход угля уменьшался с 33,5 % до 29,5 % при пиролизе древесины Leucaena leucocephala; с 35,5 % до 29 % древесины Eucalyptus camaldulensis; с 35 % до 33 % древесины Acacia mangium Willd.; с 34% до 31,5% древесины Jatropha curcas Linn.; с 38 % to 30,5 % древесины Acacia auriculaeformis;

и с 32 % до 27 % при пиролизе древесины сосны, когда скорость нагревания возросла с o C мин-1 и 50 oC мин-1. Это может быть связано с тем, что быстрое нагревание приводит к быстрой деполимеризации твердого вещества с образованием летучих веществ, в то время как при низкой скорости нагревания дегидрирование проходит более стабильно, и образование гидратцеллюлозы проходит медленно и является ограниченным.

В экспериментах выход жидкости слабо увеличивался с ростом скорости нагревания — с 44 % до 46,5 % при пиролизе древесины Leucaena leucocephala, с 42 % до 46 % древесины Eucalyptus camaldulensis, с 41,5 % до 42,5 % древесины Acacia mangium Willd, с 33,5 % до 33,51 % древесины Jatropha curcas Linn, с 41 % to 42,5 % древесины Acacia auriculaeformis; и с 44 % до 46 % древесины сосны, когда скорость нагревания возросла с 10 oC мин-1 и 50 oC мин-1 при конечной температуре пиролиза 500 oC. При этом повышение выхода пирожидкости из биомассы Jatropha curcas Linn было менее интенсивным по сравнению с другими видами древесины. Выход газа также незначительно увеличился с ростом скорости нагревания. Выход газа составил от 21 % до 32,5 % при скорости нагревания 10 oC мин-1, и увеличился до 24 % - 35 % при скорости нагревания 50 oC мин-1 при пиролизе всех видов биомассы.

На рис.10 приведены типичные зависимости выхода продуктов древесины Leucaena leucocephala от температуры.

При проведении экспериментальных исследований выполнялась оценка погрешностей 10 всех результатов. С этой целью все опыты при 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 фиксированных основных факторах (темп Температура, °С нагрева, температура завершения эксперимента, Рис. 10 Влияние скорости нагревание на выход продуктов пиролиза древесины Leucaena вид биомассы, размеры образцов, их вес и др.) leucocephala ( – жидкость при 10°С/мин, – уголь при 10°С/мин, – газ при 10°С/мин, проводились не менее трех раз подряд.

жидкость при 50°С/мин, – уголь при 50°С/мин, – газ при 50°С/мин) Соответственно, по итогам каждой такой серии экспериментов вычислялись осредненные значения каждой определяемой в эксперименте величины массового выхода исходного продукта при адекватных исходных данных и внешних условиях. Типичные результаты анализа погрешностей приведены в таблице для материала Leucaena leucocephala (U – относительное среднеквадратическое отклонение).

Таблица 3. Результаты обработки всех основных экспериментальных данных Leucaena Leucocepphala, 10 oC/мин (%масс.) U U U 250 19.00 ±1.99 75.00 ±2.19 6.00 ±0.300 26.00 ±1.56 60.00 ±1.95 14.00 ±0.350 38.00 ±1.88 46.00 ±1.95 16.00 ±0.400 40.00 ±1.73 42.00 ±1.78 18.00 ±0.450 43.00 ±1.60 35.50 ±1.57 21.50 ±0.500 44.00 ±1.56 33.50 ±1.54 22.50 ±0.550 45.00 ±1.65 31.00 ±1.64 24.00 ±0.600 46.00 ±1.68 29.00 ±1.55 25.00 ±1.Проводя оценку результатов анализа погрешностей выполненных экспериментов можно обоснованно сделать вывод о достаточно высокой стабильности процесса регулируемого термического разложения всех исследовавшихся разновидностей древесины. При неизменных условиях нагрева и исходных данных состав конечных продуктов стабилен. Этот вывод позволяет сделать заключение и о возможности минимизации числа экспериментов для других разновидностей древесины по Выход (% масс.) o ( C) Жидкие Твердые продукты продукты продукты Температура Газообразные определению выхода конечных продуктов в определенных диапазонах изменения температур. Вполне вероятно, что для обоснованных заключений по другим видам древесины будет вполне достаточно двух опытов в повторяющихся полностью условиях эксперимента.

Анализ полученных результатов показывает, что отклонения результатов изменения выхода конечных продуктов всех исследовавшихся материалов при изменении o o скорости нагрева от 10 C мин-1 до 50 C мин-1 и погрешности экспериментального определения этих величин незначительно отличаются. Можно сделать вывод о том, что в наиболее перспективном диапазоне изменения температур термической конверсии древесной биомассы скорость нагрева не влияет на состав конечных продуктов термической конверсии. Т.е. технология получения углистого вещества, жидкого биотоплива и биогаза можно разрабатывать в достаточно широком диапазоне варьирования скоростей нагрева древесной биомассы с сохранением стабильного выхода конечных жидких, твердых и газообразных продуктов.

Полученный результат позволяет сделать вывод о возможности существенного снижения энергозатрат на реализацию технологий медленного пиролиза биомассы. Так, например, увеличение темпа нагрева сырья при переработке древесных отходов в два раза может создать предпосылки для снижения энергозатрат на 35-40% при реализации самых простейших технологических схем нагрева биомассы.

Следует также отметить, что по своим исходным свойствам, структуре, условиям роста и географии распространения исследованные материалы отличаются достаточно существенно. Соответственно, на основании результатов проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод и о возможности обобщения их основных выводов и на другие разновидности древесной биомассы. Т.е. оценка влияния скорости нагрева сырья на выход продуктов для других видов древесной биомассы может быть проведена при существенно меньшем числе экспериментов для аналогичного диапазона температур конверсионного цикла.

Полученные по результатам экспериментальных исследований закономерностей процессов медленного пиролиза шести разновидностей древесной биомассы зависимости состава конечных продуктов (твердых, жидких и газообразных) являются основанием не только для выводов о возможности существенного энергосбережения при реализации технологий термической конверсии биомассы. Результаты экспериментов также являются базой для развития моделей процессов, протекающих при нагреве древесины до высоких температур. Дальнейший анализ моделей этих процессов термической конверсии древесной биомассы может создать объективные предпосылки для разработки энергоэффективных технологий биоэнергетики переработки древесной биомассы.

Основные результаты и выводы 1. Разработана методика экспериментального исследования термического разложения древесной биомассы в инертной среде для наиболее перспективных в практике диапазонов изменения температур.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования основных закономерностей медленного пиролиза шести разновидностей биомассы (Leucaena leucocephala, Eucalyptus camaldulensis, Acacia mangium Willd, Jatropha curcas Linn, Acacia auriculaeformis, древесина сосны (сибирский кедр)).

3. Выделены диапазоны температур, соответствующие для каждой разновидности исследовавшейся биомассы определенным стадиям конверсии вещества.

4. Установлены масштабы влияния темпа нагрева образцов биомассы на качественный состав и количественные характеристики конечных продуктов пиролиза.

5. Получены зависимости концентраций доли жидких, твердых и газообразных продуктов конверсии биомассы от конечной температуры нагрева исходного сырья.

6. Установлен состав газообразных продуктов пиролиза исследовавшихся разновидностей древесной биомассы.

7. Показана общность механизмов термического разложения шести разновидностей древесной биомассы, отражающая в подобии зависимостей состава (% мас.) их продуктов пиролиза от температуры.

8. Выделены температурные диапазоны максимального выхода жидких, твердых и газообразных продуктов термического разложения исследовавшихся видов биомассы.

9. Обоснована возможность регулирования состава продуктов термического разложения большой группы видов древесной биомассы путем изменения термохимических параметров процесса (температура, скорость нагревания).

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. M. Polsongkram. Product distribution from woody biomass by fixed-bed pyrolysis/ M.

Polsongkram, G.V. Kuznetsov // XVI international conference modern technique and technology. – Tomsk, 12–16 April 2010. – P. 198–200.

2. M. Polsongkram. Зависимость состава продуктов пиролиза древесной биомассы от режима теплового воздействия/ M. Polsongkram, G.V. Kuznetsov // Теплофизические основы энергетических технологий.– Tomсk, 24–26 Июня 2010.– P. 248–251.

3. M. Polsongkram, Slow pyrolysis of different woody biomasses in the batch fixed-bed pyrolyser/ M. Polsongkram, G.V. Kuznetsov // IV Научно-практическая конференция иностранных студентов, магистрантов и аспирантов НИ ТПУ.– Tomсk, 12–16 Июня 2010.

– P. 91–95.

4. M. Polsongkram, Slow pyrolysis of woody biomasses to produce bio-fuels feedstock/ M.

Polsongkram, G.V. Kuznetsov // XVII international conference modern technique and technology. – Tomsk, 18–22 April 2011. – P. 226–228.

5. М. Полсонгкрам, Зависимость состава продуктов пиролиза древесной биомассы от режима теплового воздействия/ М. Полсонгкрам, Г.В. Кузнецов // Научно-технический вестник Поволжья. №1 – Казань, 2011. – Р. 125-129.

6. М. Полсонгкрам, Оценка эффективности технологий получения топлива и энергии из биомассы/ М. Полсонгкрам, Е.Е. Бульба, Г.В. Кузнецов // VII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике. – Кемерово 14-16 сентября 2011. – Р. 12.

7. М. Полсонгкрам, Анализ эффективности технологий получения энергии из растительной биомассы/ М. Полсонгкрам, Е.Е. Бульба, Г.В. Кузнецов // II Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий». – Томск 06-08 октября 2011.

8. М. Полсонгкрам, Влияние режима теплового воздействия на состав продуктов пиролиза древесной биомассы/ М. Полсонгкрам, Г.В. Кузнецов // Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 25. №7 С.101-104.

9. M. Polsongkram, Investigating the potential for energy production from different short rotation coppices by fixed-bed pyrolysis reactor./ M. Polsongkram, G.V. Kuznetsov// IV Всероссийская научно-практическая конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов». – Томск, 24-26 мая 2011, Р.281-288.

10. М. Полсонгкрам, Об одном из возможных направлений повышения энергоэффективности процессов термической конверсии древесной биомассы / Г.В.

Кузнецов, Р.Н. Кулеш, М. Полсонгкрам // Известия ТПУ. 2012. Т.320. №4 С. 66-69.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.