Помощь студентам в учебе
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ РЕГУЛИРУЕМОМ ТЕРМИЧЕСКОМ РАЗЛОЖЕНИИ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ
|
Перечень условных обозначений и сокращений 4
Введение 5
Глава 1. Современные представления о регулируемом термическом разложении биомассы 13
1.1 Развитие технологий пиролиза 13
1.2 Типы пиролиза 15
1.2.1 Медленный пиролиз 16
1.2.2 Быстрый пиролиз 18
1.2.3 Флеш-пиролиз 19
1.3 Технологии производства топлива второго поколения 20
1.4 Продукты пиролиза и возможности их потенциального
применения 21
1.4.1 Газообразные продукты 21
1.4.2 Жидкие продукты пиролиза 22
1.4.3 Твердые продукты 23
1.5 Древесная биомасса 24
1.6 Химический состав древесной биомассы 25
1.7 Потенциал энергии биомассы 31
1.8 Основные продукты биомассы 31
1.9 Основные результаты экспериментальных исследований
пиролиза биомассы 33
Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований и обработка результатов 39
2.1 Планирование экспериментальных исследований 39
2.2 Описание исследовавшихся разновидностей древесной биомассы..44
2.2.1 Эвкалипт камальдульский (Eucalyptus camaldulensis) 44
2.2.2 Акация (Acacia mangium Willd) 45
2.2.3 Акация (Acacia auriculaeformis Cunn) 47
2.2.4 Леуцена (Leucaena leucocepphala) 48
2.2.5 Ятрофа (Jatropha curcas Linn) 50
2.2.6 Сосна (кедр сибирский или русская сосна) 51
2.3 Методика экспериментальных исследований 53
2.4 Характеристика образцов древесной биомассы 56
2.4.1 Экспресс-анализ 56
2.4.2 Элементный анализ 57
2.5 Анализ газов пиролиза 58
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований процессов регулируемого термического разложения шести разновидностей древесной биомассы 61
3.1 Основные характеристики различных видов древесной биомассы...61
3.2 Влияние температуры на распределение продуктов пиролиза 63
3.3 Сравнение распределения продуктов пиролиза различных
видов древесной биомассы 69
3.4 Влияние температуры на состав углистого остатка 73
3.5 Влияние температуры на состав газа 77
3.6 Влияние скорости нагревания на выход продуктов пиролиза 83
3.7 Анализ погрешностей основных результатов измерений 90
3.8 Анализ и обобщение полученных результатов 97
Основные результаты и выводы 102
Список использованной литературы 103
Введение 5
Глава 1. Современные представления о регулируемом термическом разложении биомассы 13
1.1 Развитие технологий пиролиза 13
1.2 Типы пиролиза 15
1.2.1 Медленный пиролиз 16
1.2.2 Быстрый пиролиз 18
1.2.3 Флеш-пиролиз 19
1.3 Технологии производства топлива второго поколения 20
1.4 Продукты пиролиза и возможности их потенциального
применения 21
1.4.1 Газообразные продукты 21
1.4.2 Жидкие продукты пиролиза 22
1.4.3 Твердые продукты 23
1.5 Древесная биомасса 24
1.6 Химический состав древесной биомассы 25
1.7 Потенциал энергии биомассы 31
1.8 Основные продукты биомассы 31
1.9 Основные результаты экспериментальных исследований
пиролиза биомассы 33
Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований и обработка результатов 39
2.1 Планирование экспериментальных исследований 39
2.2 Описание исследовавшихся разновидностей древесной биомассы..44
2.2.1 Эвкалипт камальдульский (Eucalyptus camaldulensis) 44
2.2.2 Акация (Acacia mangium Willd) 45
2.2.3 Акация (Acacia auriculaeformis Cunn) 47
2.2.4 Леуцена (Leucaena leucocepphala) 48
2.2.5 Ятрофа (Jatropha curcas Linn) 50
2.2.6 Сосна (кедр сибирский или русская сосна) 51
2.3 Методика экспериментальных исследований 53
2.4 Характеристика образцов древесной биомассы 56
2.4.1 Экспресс-анализ 56
2.4.2 Элементный анализ 57
2.5 Анализ газов пиролиза 58
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований процессов регулируемого термического разложения шести разновидностей древесной биомассы 61
3.1 Основные характеристики различных видов древесной биомассы...61
3.2 Влияние температуры на распределение продуктов пиролиза 63
3.3 Сравнение распределения продуктов пиролиза различных
видов древесной биомассы 69
3.4 Влияние температуры на состав углистого остатка 73
3.5 Влияние температуры на состав газа 77
3.6 Влияние скорости нагревания на выход продуктов пиролиза 83
3.7 Анализ погрешностей основных результатов измерений 90
3.8 Анализ и обобщение полученных результатов 97
Основные результаты и выводы 102
Список использованной литературы 103
На протяжении веков человечество использовало биомассу как источник пищи, энергии и как строительный материал. Биомасса может обеспечить большие объемы полезной энергии, гораздо меньше при этом, по сравнению с ископаемым топливом, воздействуя на окружающую среду. Именно поэтому многие годы ведутся многочисленные исследования и разработки систем для переработки и конвертации биомассы в тепловую энергию, электричество, твердое, жидкое и газообразное топливо, а также другие химические вещества и продукты [1-10]. Перспективы масштабного использования биомассы также вызваны необходимостью улучшений в качестве окружающей среды на местном и глобальном уровнях [1]. Пиролиз и другие процессы термохимической конверсии представляют собой эффективные способы утилизации биомассы. Растущая зависимость многих государств от импорта нефти и потребность снизить выбросы парниковых газов определяют направление новой энергетической политики, ориентированной на использование возобновляемых источников энергии [3].
Известны [1-7] многочисленные проекты использования биомассы, но, несмотря на это, темпы развития коммерческого ее применения невысоки как в Европе, так и на других континентах. Чтобы максимально развить преимущества технологии термической конверсии и минимизировать ее недостатки, необходимо проводить масштабные экспериментальные исследования. Растущий интерес к оптимизации существующих реакторов для реализации различных технологий термического разложения биомассы в контролируемых условиях требует создания различных технических устройств и разработки технологий переработки разнообразного сырья, с тем чтобы создать условия для эффективной реализации соответствующих термохимических процессов. В этом контексте необходимо более глубокое понимание основных закономерностей термического разложения лигнино- целлюлозных материалов [1].
Но несмотря на возможность использования промышленных продуктов термического разложения биомассы (в первую очередь древесной) как заменителей природного газа, жидких моторных топлив и угля, а так же на возможность интенсивного воспроизводства древесного сырья во многих регионах с благоприятными для роста многих видов деревьев климатом (особенно Юго-Восточная Азия), в настоящее время нет оснований утверждать о том, что эти перспективные по общему мнению [2-6] технологии обеспечивают замену хотя бы 5% традиционных энергоносителей в нескольких наиболее продвинутых в этом направлении странах.
Такое, парадоксальное, на первый взгляд, положение является, по мнению автора диссертации, объективным. Проблемы внедрения биотехнологий в промышленные производства обусловлены тем, что до настоящего времени не разработаны научные основы высокотемпературной конверсии биосырья для целей его дальнейшего использования как в энергетике, так и в других отраслях промышленности. Многочисленные частные экспериментальные данные по условиям и режимам пиролиза биосырья являются, очевидно, недостаточными для разработок технологий, обеспечивающих высокое качество конечных продуктов и экономическую эффективность технологических процессов термической конверсии биомассы (в первую очередь древесной, объемы возможного использования которой грандиозны). Очевидна целесообразность и, возможно, необходимость фундаментальных исследований процессов, протекающих при нагреве биомассы до температур интенсивных физико-химических превращений для достаточно представительной группы разновидностей древесины. Установление закономерностей этих превращений при регулируемом термическом разложении древесины может стать базой для создания экономически эффективных технологий конверсии биомассы.
Цель диссертационной работы - установление в результате экспериментальных исследований основных закономерностей процессов физико-химических превращений в представительной группе широко распространенных видов древесной биомассы при нагреве до температур интенсивной термической конверсии.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Разработать методику экспериментального исследования термического разложения древесной биомассы в инертной среде для наиболее перспективных в практике диапазонов изменения температур.
2. Провести 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. Выделить диапазоны температур, соответствующие для каждой разновидности исследуемых биомасс определенным стадиям конверсии вещества.
4. Установить состав газообразных продуктов пиролиза исследуемых разновидностей древесной биомассы и масштабы влияния темпа нагрева образцов биомассы на состав и количественные характеристики конечных продуктов пиролиза.
5. Получить зависимости долевых концентраций жидких, твердых и газообразных продуктов конверсии биомассы от конечной температуры нагрева исходного сырья.
6. Оценить общность механизмов термического разложения шести разновидностей древесной биомассы, степень подобия зависимостей состава их продуктов пиролиза от температуры.
7. Выделить температурные диапазоны максимального выхода жидких, твердых и газообразных продуктов термического разложения исследуемых видов биомассы.
8. Обосновать возможность регулирования состава продуктов термического разложения большой группы видов древесной биомассы путем изменения термохимических параметров процесса (температура, скорость нагревания).
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, отражающаяся в подобии зависимостей состава (% мас.) их продуктов пиролиза от температуры.
7. Выделены диапазоны температур (максимального выхода жидких, твердых и газообразных продуктов термического разложения исследовавшихся видов биомассы), соответствующие для каждой разновидности исследовавшейся биомассы определенным стадиям конверсии вещества.
8. Обоснована возможность регулирования состава продуктов термического разложения большой группы видов древесной биомассы путем изменения термохимических параметров процесса (температура, скорость нагревания).
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 эффективности 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» [138] - 70%; в публикации «Оценка эффективности технологий получения топлива и энергии из биомассы» [139] - 75%; в публикации «Анализ эффективности технологий получения энергии из растительной биомассы» [140] - 75%. В совместной статье с Г.В. Кузнецовым и Р.Н. Кулешом «Повышение энергоэффективности термической конверсии древесной биомассы» [143] вклад М. Полсонгкрама составляет 70%.
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», 24-26 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 изложен на 116 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 20 таблиц.
Данная работа посвящена исследованию шести видов древесной биомассы (лигнино-целлюлозного материала). Пять видов древесных пород были выращены в провинции Нонгкай в северо-восточной части Таиланда: Acacia auriculaeformis Cunn, Acacia mangium Willd, Leucaena leucocepphala, Eucalyptus camaldulensis (эвкалипт камальдуленский) и Jatropha curcas Linn (ятрофа). Шестой вид — древесина хвойного дерева (сибирский кедр) — был выращен в Томской области, Россия.
Цель основной серии экспериментов заключалась в проведении регулируемого термического разложения образцов древесной биомассы в реакторе с неподвижным слоем в лабораторном масштабе при различных температурах (250 - 600 oC) и скоростях нагревания (10 oC мин-1 и 50oC мин-1) в течение интервалов времени до 3 часов. Эксперименты проводились при неизменной атмосфере в реакторе. Основными продуктами, полученными в процессе медленного пиролиза данных образцов древесной биомассы, были жидкость, углистое вещество и газ. Выход данных веществ зависел от условий пиролиза. Кроме того, свойства и состав биомассы определяли состав газа. В целом при увеличении температуры выход твердого продукта уменьшался, и наоборот. Максимальный выход углистого вещества после пиролиза составлял 60 - 80% при самой низкой температуре (250 oC). Повышение температуры приводило к снижению выхода углистого вещества и повышению выхода жидкости и газа из-за более высокой скорости термического крекинга, приводящего к образованию жидкости и газовых продуктов (летучего вещества) из углистого остатка.
Изучение зависимости выхода продуктов пиролиза от температуры в экспериментальном реакторе показало, что оптимальными условиями для выхода твердых и жидких продуктов являются температуры до 450 oC, а для выхода газа - до 600 oC при одинаковой скорости нагрева.
Изучение влияния скорости нагревания на распределение продуктов пиролиза показало, что минимальная скорость нагрева (10 oC мин-1) обеспечивает лучшие условия для выхода углистого вещества при пиролизе, чем более высокая скорость нагрева (50 oC мин-1). С другой стороны, при более высокой скорости нагрева увеличивается выход жидкости и газа.
Изучение влияния температуры пиролиза на распределение компонентов в составе газа, полученного при пиролизе различных образцов древесной биомассы, показало, что при более высокой температуре пиролиза в составе полученного газа доля горючих газов (CO и CH4) увеличивается. Этот результат можно объяснить тем, что при температуре ниже 400 oC происходит разложение целлюлозы и гемицеллюлозы, при котором выделяются в основном CO, CO2 и H2O, а также некоторые углеводородные газы. В то же время при разложении лигнина в основном выделяется CO, CO2 и CH4 при температуре пиролиза выше 400 oC. Содержание CO и CO2 в экспериментах постепенно снижалось с увеличением температуры пиролиза, а содержание CH4 увеличивалось, что приводило к повышению теплотворной способности энергетического газа. В данном исследовании было установлено, что теплотворная способность энергетического газа, полученного при пиролизе различных образцов древесной биомассы при температуре 300 - 600 oC и скорости нагревания 50 oC мин-1, составляла от 7,16 до 15,33 МДж/нм3. Данный газ относится к горючим газам со средней калорийностью (12 - 15 МДж/нм3) и может быть использован после очистки в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах и котельных агрегатах для производства электрической и тепловой энергии.
Известны [1-7] многочисленные проекты использования биомассы, но, несмотря на это, темпы развития коммерческого ее применения невысоки как в Европе, так и на других континентах. Чтобы максимально развить преимущества технологии термической конверсии и минимизировать ее недостатки, необходимо проводить масштабные экспериментальные исследования. Растущий интерес к оптимизации существующих реакторов для реализации различных технологий термического разложения биомассы в контролируемых условиях требует создания различных технических устройств и разработки технологий переработки разнообразного сырья, с тем чтобы создать условия для эффективной реализации соответствующих термохимических процессов. В этом контексте необходимо более глубокое понимание основных закономерностей термического разложения лигнино- целлюлозных материалов [1].
Но несмотря на возможность использования промышленных продуктов термического разложения биомассы (в первую очередь древесной) как заменителей природного газа, жидких моторных топлив и угля, а так же на возможность интенсивного воспроизводства древесного сырья во многих регионах с благоприятными для роста многих видов деревьев климатом (особенно Юго-Восточная Азия), в настоящее время нет оснований утверждать о том, что эти перспективные по общему мнению [2-6] технологии обеспечивают замену хотя бы 5% традиционных энергоносителей в нескольких наиболее продвинутых в этом направлении странах.
Такое, парадоксальное, на первый взгляд, положение является, по мнению автора диссертации, объективным. Проблемы внедрения биотехнологий в промышленные производства обусловлены тем, что до настоящего времени не разработаны научные основы высокотемпературной конверсии биосырья для целей его дальнейшего использования как в энергетике, так и в других отраслях промышленности. Многочисленные частные экспериментальные данные по условиям и режимам пиролиза биосырья являются, очевидно, недостаточными для разработок технологий, обеспечивающих высокое качество конечных продуктов и экономическую эффективность технологических процессов термической конверсии биомассы (в первую очередь древесной, объемы возможного использования которой грандиозны). Очевидна целесообразность и, возможно, необходимость фундаментальных исследований процессов, протекающих при нагреве биомассы до температур интенсивных физико-химических превращений для достаточно представительной группы разновидностей древесины. Установление закономерностей этих превращений при регулируемом термическом разложении древесины может стать базой для создания экономически эффективных технологий конверсии биомассы.
Цель диссертационной работы - установление в результате экспериментальных исследований основных закономерностей процессов физико-химических превращений в представительной группе широко распространенных видов древесной биомассы при нагреве до температур интенсивной термической конверсии.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Разработать методику экспериментального исследования термического разложения древесной биомассы в инертной среде для наиболее перспективных в практике диапазонов изменения температур.
2. Провести 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. Выделить диапазоны температур, соответствующие для каждой разновидности исследуемых биомасс определенным стадиям конверсии вещества.
4. Установить состав газообразных продуктов пиролиза исследуемых разновидностей древесной биомассы и масштабы влияния темпа нагрева образцов биомассы на состав и количественные характеристики конечных продуктов пиролиза.
5. Получить зависимости долевых концентраций жидких, твердых и газообразных продуктов конверсии биомассы от конечной температуры нагрева исходного сырья.
6. Оценить общность механизмов термического разложения шести разновидностей древесной биомассы, степень подобия зависимостей состава их продуктов пиролиза от температуры.
7. Выделить температурные диапазоны максимального выхода жидких, твердых и газообразных продуктов термического разложения исследуемых видов биомассы.
8. Обосновать возможность регулирования состава продуктов термического разложения большой группы видов древесной биомассы путем изменения термохимических параметров процесса (температура, скорость нагревания).
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, отражающаяся в подобии зависимостей состава (% мас.) их продуктов пиролиза от температуры.
7. Выделены диапазоны температур (максимального выхода жидких, твердых и газообразных продуктов термического разложения исследовавшихся видов биомассы), соответствующие для каждой разновидности исследовавшейся биомассы определенным стадиям конверсии вещества.
8. Обоснована возможность регулирования состава продуктов термического разложения большой группы видов древесной биомассы путем изменения термохимических параметров процесса (температура, скорость нагревания).
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 эффективности 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» [138] - 70%; в публикации «Оценка эффективности технологий получения топлива и энергии из биомассы» [139] - 75%; в публикации «Анализ эффективности технологий получения энергии из растительной биомассы» [140] - 75%. В совместной статье с Г.В. Кузнецовым и Р.Н. Кулешом «Повышение энергоэффективности термической конверсии древесной биомассы» [143] вклад М. Полсонгкрама составляет 70%.
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», 24-26 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 изложен на 116 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 20 таблиц.
Данная работа посвящена исследованию шести видов древесной биомассы (лигнино-целлюлозного материала). Пять видов древесных пород были выращены в провинции Нонгкай в северо-восточной части Таиланда: Acacia auriculaeformis Cunn, Acacia mangium Willd, Leucaena leucocepphala, Eucalyptus camaldulensis (эвкалипт камальдуленский) и Jatropha curcas Linn (ятрофа). Шестой вид — древесина хвойного дерева (сибирский кедр) — был выращен в Томской области, Россия.
Цель основной серии экспериментов заключалась в проведении регулируемого термического разложения образцов древесной биомассы в реакторе с неподвижным слоем в лабораторном масштабе при различных температурах (250 - 600 oC) и скоростях нагревания (10 oC мин-1 и 50oC мин-1) в течение интервалов времени до 3 часов. Эксперименты проводились при неизменной атмосфере в реакторе. Основными продуктами, полученными в процессе медленного пиролиза данных образцов древесной биомассы, были жидкость, углистое вещество и газ. Выход данных веществ зависел от условий пиролиза. Кроме того, свойства и состав биомассы определяли состав газа. В целом при увеличении температуры выход твердого продукта уменьшался, и наоборот. Максимальный выход углистого вещества после пиролиза составлял 60 - 80% при самой низкой температуре (250 oC). Повышение температуры приводило к снижению выхода углистого вещества и повышению выхода жидкости и газа из-за более высокой скорости термического крекинга, приводящего к образованию жидкости и газовых продуктов (летучего вещества) из углистого остатка.
Изучение зависимости выхода продуктов пиролиза от температуры в экспериментальном реакторе показало, что оптимальными условиями для выхода твердых и жидких продуктов являются температуры до 450 oC, а для выхода газа - до 600 oC при одинаковой скорости нагрева.
Изучение влияния скорости нагревания на распределение продуктов пиролиза показало, что минимальная скорость нагрева (10 oC мин-1) обеспечивает лучшие условия для выхода углистого вещества при пиролизе, чем более высокая скорость нагрева (50 oC мин-1). С другой стороны, при более высокой скорости нагрева увеличивается выход жидкости и газа.
Изучение влияния температуры пиролиза на распределение компонентов в составе газа, полученного при пиролизе различных образцов древесной биомассы, показало, что при более высокой температуре пиролиза в составе полученного газа доля горючих газов (CO и CH4) увеличивается. Этот результат можно объяснить тем, что при температуре ниже 400 oC происходит разложение целлюлозы и гемицеллюлозы, при котором выделяются в основном CO, CO2 и H2O, а также некоторые углеводородные газы. В то же время при разложении лигнина в основном выделяется CO, CO2 и CH4 при температуре пиролиза выше 400 oC. Содержание CO и CO2 в экспериментах постепенно снижалось с увеличением температуры пиролиза, а содержание CH4 увеличивалось, что приводило к повышению теплотворной способности энергетического газа. В данном исследовании было установлено, что теплотворная способность энергетического газа, полученного при пиролизе различных образцов древесной биомассы при температуре 300 - 600 oC и скорости нагревания 50 oC мин-1, составляла от 7,16 до 15,33 МДж/нм3. Данный газ относится к горючим газам со средней калорийностью (12 - 15 МДж/нм3) и может быть использован после очистки в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах и котельных агрегатах для производства электрической и тепловой энергии.
Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:
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 и максимального выхода жидких, твердых и газообразных продуктов термического разложения.
4. Установлен состав газообразных продуктов пиролиза исследовавшихся разновидностей древесной биомассы.
5. Получены зависимости долевых концентраций жидких, твердых и газообразных продуктов конверсии биомассы от конечной температуры нагрева исходного сырья и установлены масштабы влияния темпа нагрева образцов биомассы на качественный состав и количественные характеристики конечных продуктов пиролиза.
6. Показана общность механизмов термического разложения шести разновидностей древесной биомассы, отражающая в подобии зависимости состава (% мас.) их продуктов пиролиза от температуры.
7. Обоснована возможность регулирования состава продуктов термического разложения большой группы видов древесной биомассы путем изменения термохимических параметров процесса (температура, скорость нагревания).
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 и максимального выхода жидких, твердых и газообразных продуктов термического разложения.
4. Установлен состав газообразных продуктов пиролиза исследовавшихся разновидностей древесной биомассы.
5. Получены зависимости долевых концентраций жидких, твердых и газообразных продуктов конверсии биомассы от конечной температуры нагрева исходного сырья и установлены масштабы влияния темпа нагрева образцов биомассы на качественный состав и количественные характеристики конечных продуктов пиролиза.
6. Показана общность механизмов термического разложения шести разновидностей древесной биомассы, отражающая в подобии зависимости состава (% мас.) их продуктов пиролиза от температуры.
7. Обоснована возможность регулирования состава продуктов термического разложения большой группы видов древесной биомассы путем изменения термохимических параметров процесса (температура, скорость нагревания).
