Помощь студентам в учебе
ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОЙ БИОМАССЫ ПРИ МИКРОВОЛНОВОМ НАГРЕВЕ
|
ВВЕДЕНИЕ - 8 -
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕРМИЧЕСКОМ
РАЗЛОЖЕНИИ БИОМАССЫ - 20 -
1.1. Биомасса как энергоресурс - 20 -
1.2. Композиционная биомасса: разновидности и концентрации компонентов,
их свойства, применение - 22 -
1.3. Методы переработки биомассы. Термическое разложение биомассы при кондуктивном, конвективном, радиационном и смешанном теплообмене - 25 -
1.4. Особенности микроволнового нагрева биомассы -31
1.5. Управление составом генераторного газа -35-
Выводы по первой главе - 37 -
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО
РАЗЛОЖЕНИЯ БИОМАССЫ ПРИ МИКРОВОЛНОВОМ НАГРЕВЕ - 39 -
2.1. Материалы и их свойства - 39 -
2.2. Экспериментальный стенд - 44 -
2.3. Методики исследований и погрешности - 49 -
2.4. Состав генераторного газа - 51 -
2.4.1. Вид и состав биомассы - 51 -
2.4.2. Разновидности опилок - 57 -
2.5. Характеристики микроволнового нагрева биомассы при варьировании
плотности засыпки, структуры слоев и влажности - 60 -
2.5.1. Расположение навески в центре и на периферии тигля - 62 -
2.5.2. Расположение навески в виде совокупности фрагментов - 66 -
2.5.3. Структура поверхности навески - 71 -
2.5.4. Варьирование дисперсности частиц в навеске - 74 -
2.5.5. Варьирование доли влаги в навеске - 76 -
2.6. Влияние состава парогазовой смеси в реакторе на характеристики
термического разложения биомассы при микроволновом нагреве - 80 -
2.6.1. Газифицирующая среда с водяным паром - 82 -
2.6.2. Газифицирующая среда с углекислым газом - 86 -
2.7. Определение эффективной мощности и длительности микроволнового
нагрева - 88 -
2.8. Рекомендации по использованию результатов исследований - 104 -
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА
КОМПОЗИЦИОННОЙ БИОМАССЫ - 105 -
3.1 Физическая модель - 105 -
3.2. Математическая модель - 108 -
3.3. Методы решения - 111 -
3.4. Апробация модели - 113 -
3.5. Результаты параметрических исследований - 114 -
4. РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ МИКРОВОЛНОВОГО
НАГРЕВА КОМПОЗИЦИОННОЙ БИОМАССЫ - 125 -
4.1. Научно-обоснованные технические предложения - 125 -
4.2. Рекомендации для достижения максимальной эффективности
микроволнового нагрева - 129 -
4.3. Практические приложения - 131 -
ЗАКЛЮЧЕНИЕ - 133 -
ОБОЗНАЧЕНИЯ - 134 -
ЛИТЕРАТУРА - 136 -
ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты и справки об использовании результатов исследований - 151 -
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕРМИЧЕСКОМ
РАЗЛОЖЕНИИ БИОМАССЫ - 20 -
1.1. Биомасса как энергоресурс - 20 -
1.2. Композиционная биомасса: разновидности и концентрации компонентов,
их свойства, применение - 22 -
1.3. Методы переработки биомассы. Термическое разложение биомассы при кондуктивном, конвективном, радиационном и смешанном теплообмене - 25 -
1.4. Особенности микроволнового нагрева биомассы -31
1.5. Управление составом генераторного газа -35-
Выводы по первой главе - 37 -
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО
РАЗЛОЖЕНИЯ БИОМАССЫ ПРИ МИКРОВОЛНОВОМ НАГРЕВЕ - 39 -
2.1. Материалы и их свойства - 39 -
2.2. Экспериментальный стенд - 44 -
2.3. Методики исследований и погрешности - 49 -
2.4. Состав генераторного газа - 51 -
2.4.1. Вид и состав биомассы - 51 -
2.4.2. Разновидности опилок - 57 -
2.5. Характеристики микроволнового нагрева биомассы при варьировании
плотности засыпки, структуры слоев и влажности - 60 -
2.5.1. Расположение навески в центре и на периферии тигля - 62 -
2.5.2. Расположение навески в виде совокупности фрагментов - 66 -
2.5.3. Структура поверхности навески - 71 -
2.5.4. Варьирование дисперсности частиц в навеске - 74 -
2.5.5. Варьирование доли влаги в навеске - 76 -
2.6. Влияние состава парогазовой смеси в реакторе на характеристики
термического разложения биомассы при микроволновом нагреве - 80 -
2.6.1. Газифицирующая среда с водяным паром - 82 -
2.6.2. Газифицирующая среда с углекислым газом - 86 -
2.7. Определение эффективной мощности и длительности микроволнового
нагрева - 88 -
2.8. Рекомендации по использованию результатов исследований - 104 -
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА
КОМПОЗИЦИОННОЙ БИОМАССЫ - 105 -
3.1 Физическая модель - 105 -
3.2. Математическая модель - 108 -
3.3. Методы решения - 111 -
3.4. Апробация модели - 113 -
3.5. Результаты параметрических исследований - 114 -
4. РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ МИКРОВОЛНОВОГО
НАГРЕВА КОМПОЗИЦИОННОЙ БИОМАССЫ - 125 -
4.1. Научно-обоснованные технические предложения - 125 -
4.2. Рекомендации для достижения максимальной эффективности
микроволнового нагрева - 129 -
4.3. Практические приложения - 131 -
ЗАКЛЮЧЕНИЕ - 133 -
ОБОЗНАЧЕНИЯ - 134 -
ЛИТЕРАТУРА - 136 -
ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты и справки об использовании результатов исследований - 151 -
Сельскохозяйственная отрасль сталкивается с увеличением объемов формируемых отходов [1]. Соответствующие тенденции обусловлены ростом населения и производства требуемой продукции для его существования [2]. Повышается спрос на выработку электроэнергии и создания продуктов с высокой добавленной стоимостью из возобновляемых источников [1]. На сегодняшний день потребление энергии осуществляется за счет традиционных углеводородных видов топлива, запас которых ограничен [3]. Учитывая технологический прогресс, потребление энергии будет расти и к 2050 году может достигнуть 1500 Экса Джоуль энергии в год [2]. Развитие возобновляемых источников энергии имеет жизненно важное значение для снижения выбросов парниковых газов и повышения надежности энергетических систем [4]. В ближайшие десятилетия ожидается непрерывное развитие и переход на более сложное возобновляемое сырье [5]. Одним из наиболее важных аспектов для развивающихся стран является обеспечение доступа к энергии в сельских районах, не подключенных к единой энергосистеме [6,7]. Имея большой потенциал, биомасса является оптимальным источником энергии в децентрализованных системах энергоснабжения сельских районов с задействованием систем, базирующихся на термохимических процессах: пиролиз, газификация, сжигание [8]. В сельской местности, как правило, имеется большое количество доступных ресурсов биомассы - опавшие листья, торф, отходы сельского хозяйства. Опавшая листва - источник энергии для небольших систем отопления в частных домах, торф используется для выработки электроэнергии на ТЭЦ, отходы деревообрабатывающей промышленности: щепа, опилки -
эффективное топливо для котельных. Солома и початки кукурузы могут использоваться в качестве топлива на сельскохозяйственных предприятиях. Быстрорастущие виды, такие как мискантус, могут использоваться для получения биомассы. Для более быстрой переработки лигноцеллюлозного сырья целесообразно использовать термохимические методы конверсии [10]. Процессы термохимической конверсии включают горение, газификацию, сжижение и пиролиз [11,12]. Сжигание биомассы в потоке воздуха — процесс, в результате которого выделяется тепловая энергия [12]. Газификация - процесс конвертации биомассы в генераторный газ, путем нагрева биомассы в газифицирующей среде (воздух, водяной пар, углекислый газ) [13]. Сжижение биомассы - это процесс преобразования органического материала, такого как древесина, сельскохозяйственные отходы, трава, в жидкое топливо или биотопливо. Этот процесс включает термохимическую конверсию при пониженных температурах [14]. Пиролиз (термическое разложение) — термохимический процесс, при котором биомасса нагревается до 300-700 °C в инертной атмосфере. Пиролиз лигноцеллюлозной биомассы дает три фракции: твердый остаток, конденсируемые летучие вещества (бионефть и водная фракция) и неконденсируемые летучие вещества (также называемые неконденсируемыми газами - генераторный газ) [15]. Соотношение между различными продуктами варьируется в зависимости от температуры реакции, скорости нагрева и предварительной обработки биомассы. Твердый остаток, полученный в результате пиролиза лигноцеллюлозной биомассы, может использоваться в качестве хранилища углерода, поэтому бионефть, полученная в результате того же процесса, имеет потенциал в качестве углерод-отрицательного и возобновляемого топлива. Большая часть исследований процессов термического разложения проводится с использованием традиционных источников нагрева, таких как электрические и газовые нагреватели. Однако, преимущества микроволнового нагрева с точки зрения снижения требований к предварительной обработке, энергоэффективности, более быстрого времени обработки, ценных побочных продуктов, снижения выбросов и сокращения технического обслуживания способствуют значительной экономии затрат по сравнению с традиционными методами нагрева [16].
Традиционный процесс пиролиза является дорогостоящим из-за неэффективного нагрева и потерь тепла, актуальной представляется возможность использования микроволнового излучения в качестве источника нагрева для процесса термического разложения композиционной биомассы. Микроволновый нагрев обладает множеством преимуществ в различных процессах, особенно в химической и материаловедческой областях. Микроволны взаимодействуют с полярными молекулами в материале, заставляя их вращаться и вибрировать, что приводит к быстрому нагреву. [16]. Скорость нагрева до 50 °О/мин значительно превосходит традиционные методы, что сокращает время реакций. Микроволновый нагрев направлен, поэтому меньше энергии теряется на нагрев среды вокруг обрабатываемого материала, что экономит энергию, а сочетание быстрого нагрева, сокращения времени реакций и снижения потребления энергии приводит к более низким производственным затратам. Микроволны могут проникать в материал на значительную глубину, позволяя нагревать крупные объекты равномерно. Микроволновый нагрев является эффективным для обработки материалов с разной плотностью и составом. При традиционном или вакуумном пиролизе тепло передается от внешнего источника (электричество или сгорание топлива) к материалу через теплопроводность. Тепло сначала нагревает поверхность, и только затем проникает внутрь материала. Передача тепла через теплопроводность медленная, особенно для материалов с низкой теплопроводностью, внешняя поверхность материала может нагреться значительно быстрее, чем внутренние слои, что приводит к неравномерному нагреву. Неэффективная передача тепла приводит к большим потерям энергии. Микроволны непосредственно взаимодействуют с диполями материала, заставляя их вибрировать и генерировать тепло непосредственно внутри материала. Тепло накапливается в его глубинных слоях. Такие условия более эффективны, чем при кондуктивном или конвективном нагреве благодаря равномерному распределению тепла [16]. Поскольку микроволновое излучение позволяет достичь повышенных значений температуры и скорости нагрева, термическое разложение биомассы при микроволновом нагреве считается быстрым, энергоэффективным и экономящим время процессом по сравнению с традиционным и вакуумным пиролизом [16-19]. В таблице 1 приведено сравнение эффективности методов нагрева.
Таблица 1 - Эффективность методов нагрева [16-19].
Характеристика Традиционный / вакуумный пиролиз Микроволновый нагрев
Механизм нагрева Теплопроводность Дипольное взаимодействие
Скорость нагрева Медленная Быстрая
Эффективность Низкая Высокая
Равномерность нагрева Неравномерный Равномерный
Энергетические затраты Высокие Низкие
Качество продукта Может быть неоднородным Однородный
Устойчивость производства газообразного топлива из биомассы зависит от экологических, социальных и экономических аспектов. Основными экологическими аспектами являются выбросы парниковых газов, изменения в землепользовании, биоразнообразие, а также водопользование и управление. Среди социальных аспектов наиболее важными являются: создание рабочих мест, управление и развитие сельских районов, утилизация агропромышленных отходов. Наиболее важным экономическим аспектом для устойчивости является рентабельность инвестиционных проектов по производству и использованию биоэнергии [20,21]. Одна из первых инициатив по широкому исследованию биотоплива (генераторного газа, биомасла, биоугля), полученного в результате микроволнового нагрева осадка сточных вод, представлена в 2002 году [22, 23]. Рекуперация биомассы термическим разложением при микроволновом нагреве привлекает внимание
промышленности вследствие определенных преимуществ (быстрый нагрев и энергоэффективность). Развитие технологии использования микроволнового излучения для производства биоугля сдерживается техническими проблемами, несмотря на обширные исследования в лабораторных масштабах. Для успешной коммерциализации необходимо преодолеть несколько препятствий, таких как создание мощного магнетрона, разработка эффективной системы откачки, подбор прочного материала для создания реактора, и разработка конструкции эффективной конденсационной установки. Развитие системы непрерывного микроволнового нагрева является основным направлением исследований вследствие перспективности технологии валоризации отходов биомассы [15-23]. Пока рабочие параметры и конструкции реактора для обеспечения непрерывности процесса не определены в полной мере вследствие ограниченного понимания способов подачи сырья и одновременного выпуска продуктов (биоугля, биомасла и генераторного газа).
...
эффективное топливо для котельных. Солома и початки кукурузы могут использоваться в качестве топлива на сельскохозяйственных предприятиях. Быстрорастущие виды, такие как мискантус, могут использоваться для получения биомассы. Для более быстрой переработки лигноцеллюлозного сырья целесообразно использовать термохимические методы конверсии [10]. Процессы термохимической конверсии включают горение, газификацию, сжижение и пиролиз [11,12]. Сжигание биомассы в потоке воздуха — процесс, в результате которого выделяется тепловая энергия [12]. Газификация - процесс конвертации биомассы в генераторный газ, путем нагрева биомассы в газифицирующей среде (воздух, водяной пар, углекислый газ) [13]. Сжижение биомассы - это процесс преобразования органического материала, такого как древесина, сельскохозяйственные отходы, трава, в жидкое топливо или биотопливо. Этот процесс включает термохимическую конверсию при пониженных температурах [14]. Пиролиз (термическое разложение) — термохимический процесс, при котором биомасса нагревается до 300-700 °C в инертной атмосфере. Пиролиз лигноцеллюлозной биомассы дает три фракции: твердый остаток, конденсируемые летучие вещества (бионефть и водная фракция) и неконденсируемые летучие вещества (также называемые неконденсируемыми газами - генераторный газ) [15]. Соотношение между различными продуктами варьируется в зависимости от температуры реакции, скорости нагрева и предварительной обработки биомассы. Твердый остаток, полученный в результате пиролиза лигноцеллюлозной биомассы, может использоваться в качестве хранилища углерода, поэтому бионефть, полученная в результате того же процесса, имеет потенциал в качестве углерод-отрицательного и возобновляемого топлива. Большая часть исследований процессов термического разложения проводится с использованием традиционных источников нагрева, таких как электрические и газовые нагреватели. Однако, преимущества микроволнового нагрева с точки зрения снижения требований к предварительной обработке, энергоэффективности, более быстрого времени обработки, ценных побочных продуктов, снижения выбросов и сокращения технического обслуживания способствуют значительной экономии затрат по сравнению с традиционными методами нагрева [16].
Традиционный процесс пиролиза является дорогостоящим из-за неэффективного нагрева и потерь тепла, актуальной представляется возможность использования микроволнового излучения в качестве источника нагрева для процесса термического разложения композиционной биомассы. Микроволновый нагрев обладает множеством преимуществ в различных процессах, особенно в химической и материаловедческой областях. Микроволны взаимодействуют с полярными молекулами в материале, заставляя их вращаться и вибрировать, что приводит к быстрому нагреву. [16]. Скорость нагрева до 50 °О/мин значительно превосходит традиционные методы, что сокращает время реакций. Микроволновый нагрев направлен, поэтому меньше энергии теряется на нагрев среды вокруг обрабатываемого материала, что экономит энергию, а сочетание быстрого нагрева, сокращения времени реакций и снижения потребления энергии приводит к более низким производственным затратам. Микроволны могут проникать в материал на значительную глубину, позволяя нагревать крупные объекты равномерно. Микроволновый нагрев является эффективным для обработки материалов с разной плотностью и составом. При традиционном или вакуумном пиролизе тепло передается от внешнего источника (электричество или сгорание топлива) к материалу через теплопроводность. Тепло сначала нагревает поверхность, и только затем проникает внутрь материала. Передача тепла через теплопроводность медленная, особенно для материалов с низкой теплопроводностью, внешняя поверхность материала может нагреться значительно быстрее, чем внутренние слои, что приводит к неравномерному нагреву. Неэффективная передача тепла приводит к большим потерям энергии. Микроволны непосредственно взаимодействуют с диполями материала, заставляя их вибрировать и генерировать тепло непосредственно внутри материала. Тепло накапливается в его глубинных слоях. Такие условия более эффективны, чем при кондуктивном или конвективном нагреве благодаря равномерному распределению тепла [16]. Поскольку микроволновое излучение позволяет достичь повышенных значений температуры и скорости нагрева, термическое разложение биомассы при микроволновом нагреве считается быстрым, энергоэффективным и экономящим время процессом по сравнению с традиционным и вакуумным пиролизом [16-19]. В таблице 1 приведено сравнение эффективности методов нагрева.
Таблица 1 - Эффективность методов нагрева [16-19].
Характеристика Традиционный / вакуумный пиролиз Микроволновый нагрев
Механизм нагрева Теплопроводность Дипольное взаимодействие
Скорость нагрева Медленная Быстрая
Эффективность Низкая Высокая
Равномерность нагрева Неравномерный Равномерный
Энергетические затраты Высокие Низкие
Качество продукта Может быть неоднородным Однородный
Устойчивость производства газообразного топлива из биомассы зависит от экологических, социальных и экономических аспектов. Основными экологическими аспектами являются выбросы парниковых газов, изменения в землепользовании, биоразнообразие, а также водопользование и управление. Среди социальных аспектов наиболее важными являются: создание рабочих мест, управление и развитие сельских районов, утилизация агропромышленных отходов. Наиболее важным экономическим аспектом для устойчивости является рентабельность инвестиционных проектов по производству и использованию биоэнергии [20,21]. Одна из первых инициатив по широкому исследованию биотоплива (генераторного газа, биомасла, биоугля), полученного в результате микроволнового нагрева осадка сточных вод, представлена в 2002 году [22, 23]. Рекуперация биомассы термическим разложением при микроволновом нагреве привлекает внимание
промышленности вследствие определенных преимуществ (быстрый нагрев и энергоэффективность). Развитие технологии использования микроволнового излучения для производства биоугля сдерживается техническими проблемами, несмотря на обширные исследования в лабораторных масштабах. Для успешной коммерциализации необходимо преодолеть несколько препятствий, таких как создание мощного магнетрона, разработка эффективной системы откачки, подбор прочного материала для создания реактора, и разработка конструкции эффективной конденсационной установки. Развитие системы непрерывного микроволнового нагрева является основным направлением исследований вследствие перспективности технологии валоризации отходов биомассы [15-23]. Пока рабочие параметры и конструкции реактора для обеспечения непрерывности процесса не определены в полной мере вследствие ограниченного понимания способов подачи сырья и одновременного выпуска продуктов (биоугля, биомасла и генераторного газа).
...
1. Разработана экспериментальная методика и создан программноаппаратный комплекс для определения характеристик термического разложения композиционной биомассы при микроволновом нагреве.
2. На основе обобщения результатов экспериментов установлены зависимости интегральных характеристик термического разложения композиционной биомассы (время задержки выхода газов, продолжительность этого процесса, концентрации газов и др.) от совокупности входных параметров, в частности, темпа нагрева, подведенной тепловой энергии, состава, влажности и пористости биомассы, схемы размещения в тигле, материала и формы последнего. В результате математической обработки экспериментальных данных получены выражения для прогнозирования характеристик термического разложения композиционной биомассы с различным составом.
3. При сравнении состава биомассы выделены компоненты, которым соответствовали повышенные концентрации генераторного газа. В частности, в идентичных условиях микроволнового нагрева концентрации основных компонентов генераторного газа (СО, СН4, Н2) для соломы выше на 25-85%, чем у других видов биомассы (листья, солома, сосновые опилки, кедровые опилки, березовые опилки). Определяющую роль играет наименьшее значение CO2, зафиксированное для опилок (меньше на 44-48 % по сравнению с другими видами сырья). Также в случае опилок концентрации H2S меньше в 1.4-2 раза, чем выделяется при термическом разложении листьев и соломы.
4. Определены эффективные схемы размещения навески композиционной биомассы в реакторе для получения генераторного газа с повышенными концентрациями СО, СН4 и Н2. Концентрации Н2 при распределении навески по всей поверхности тигля увеличились с 29% до 50%, СО - с 38% до 50%. Концентрации диоксида углерода меньше в 2.7 раза по сравнению со схемой, при которой биомасса размещена на 1/2 от поверхности
тигля. Обосновано, что выход Н2 и СО можно увеличить более чем в 3 раза при создании на поверхности биомассы искусственных каналов пористости.
5. Определяющее влияние на концентрации компонентов генераторного газа оказывает мощность СВЧ-излучения. Показано, что при повышении мощности микроволнового излучения с 840 Вт до 2200 Вт увеличился выход СO в 4 раза, H2 в 8 раз, CH4 в 3 раза. При выборе мощности СВЧ-излучения в промышленных реакторах необходимо учитывать значения относительных показателей эффективности микроволнового термического разложения с учетом энергетических, экологических, экономических и технологических индикаторов.
6. Влажность композиционной биомассы и газовоздушной смеси в реакторе оказывает определяющее влияние на характеристики термического разложения композиционной биомассы. Показано, что увеличение доли влаги в навеске с 25 % до 75 % способствует снижению концентраций компонентов генераторного газа. Концентрации СО, СО2, СН4 и Н2 уменьшились на 63.5%, 62.5 %, 48 % и 53.3 %. Наличие высокой концентрации пара препятствует термическому разложению композиционной биомассы. Установлены оптимальные соотношения влаги в навеске и газифицирующей среде для получения генераторного газа с повышенными концентрациями СО, СН4 и Н2. Увеличение объема СО2 с 200 мл до 600 мл в газифицирующей среде привело к возрастанию концентраций СО на 78%, СН4 на 67% и Н2 на 75%. Повышение объема водяного пара с 200 мл до 400 мл способствовало росту концентраций СО на 48%, Н2 на 80%, СН4 в 9 раз.
7. Разработаны физическая и математическая модели термического разложения композиционной биомассы при микроволновом нагреве, отличающиеся от известных учетом совместного влияния процессов тепломассопереноса, фазовых превращений и химического реагирования в реакторе. Выполнены параметрические исследования, позволившие установить интегральные характеристики микроволнового разложения биомассы в диапазонах варьирования входных параметров (мощность СВЧ, время нагрева, тип тигля, влажность биомассы, расположение на поверхности тигля), перспективных для промышленных реакторов.
8. Анализ полученных результатов, выполненных мультикритериальных исследований позволил разработать схему микроволнового реактора непрерывного действия с варьируемой мощностью для термического разложения композиционной биомассы. Разработаны рекомендации по использованию полученных результатов при развитии микроволновых реакторов, обеспечивающих термическое разложение композиционной биомассы. Выполненное обобщение результатов исследований позволило обосновать рентабельность применения микроволновых реакторов для получения генераторного газа с повышенными концентрациями СО, СН| и Н2 при разном компонентном составе биомассы и применении добавок из индустриальных и коммунальных отходов.
2. На основе обобщения результатов экспериментов установлены зависимости интегральных характеристик термического разложения композиционной биомассы (время задержки выхода газов, продолжительность этого процесса, концентрации газов и др.) от совокупности входных параметров, в частности, темпа нагрева, подведенной тепловой энергии, состава, влажности и пористости биомассы, схемы размещения в тигле, материала и формы последнего. В результате математической обработки экспериментальных данных получены выражения для прогнозирования характеристик термического разложения композиционной биомассы с различным составом.
3. При сравнении состава биомассы выделены компоненты, которым соответствовали повышенные концентрации генераторного газа. В частности, в идентичных условиях микроволнового нагрева концентрации основных компонентов генераторного газа (СО, СН4, Н2) для соломы выше на 25-85%, чем у других видов биомассы (листья, солома, сосновые опилки, кедровые опилки, березовые опилки). Определяющую роль играет наименьшее значение CO2, зафиксированное для опилок (меньше на 44-48 % по сравнению с другими видами сырья). Также в случае опилок концентрации H2S меньше в 1.4-2 раза, чем выделяется при термическом разложении листьев и соломы.
4. Определены эффективные схемы размещения навески композиционной биомассы в реакторе для получения генераторного газа с повышенными концентрациями СО, СН4 и Н2. Концентрации Н2 при распределении навески по всей поверхности тигля увеличились с 29% до 50%, СО - с 38% до 50%. Концентрации диоксида углерода меньше в 2.7 раза по сравнению со схемой, при которой биомасса размещена на 1/2 от поверхности
тигля. Обосновано, что выход Н2 и СО можно увеличить более чем в 3 раза при создании на поверхности биомассы искусственных каналов пористости.
5. Определяющее влияние на концентрации компонентов генераторного газа оказывает мощность СВЧ-излучения. Показано, что при повышении мощности микроволнового излучения с 840 Вт до 2200 Вт увеличился выход СO в 4 раза, H2 в 8 раз, CH4 в 3 раза. При выборе мощности СВЧ-излучения в промышленных реакторах необходимо учитывать значения относительных показателей эффективности микроволнового термического разложения с учетом энергетических, экологических, экономических и технологических индикаторов.
6. Влажность композиционной биомассы и газовоздушной смеси в реакторе оказывает определяющее влияние на характеристики термического разложения композиционной биомассы. Показано, что увеличение доли влаги в навеске с 25 % до 75 % способствует снижению концентраций компонентов генераторного газа. Концентрации СО, СО2, СН4 и Н2 уменьшились на 63.5%, 62.5 %, 48 % и 53.3 %. Наличие высокой концентрации пара препятствует термическому разложению композиционной биомассы. Установлены оптимальные соотношения влаги в навеске и газифицирующей среде для получения генераторного газа с повышенными концентрациями СО, СН4 и Н2. Увеличение объема СО2 с 200 мл до 600 мл в газифицирующей среде привело к возрастанию концентраций СО на 78%, СН4 на 67% и Н2 на 75%. Повышение объема водяного пара с 200 мл до 400 мл способствовало росту концентраций СО на 48%, Н2 на 80%, СН4 в 9 раз.
7. Разработаны физическая и математическая модели термического разложения композиционной биомассы при микроволновом нагреве, отличающиеся от известных учетом совместного влияния процессов тепломассопереноса, фазовых превращений и химического реагирования в реакторе. Выполнены параметрические исследования, позволившие установить интегральные характеристики микроволнового разложения биомассы в диапазонах варьирования входных параметров (мощность СВЧ, время нагрева, тип тигля, влажность биомассы, расположение на поверхности тигля), перспективных для промышленных реакторов.
8. Анализ полученных результатов, выполненных мультикритериальных исследований позволил разработать схему микроволнового реактора непрерывного действия с варьируемой мощностью для термического разложения композиционной биомассы. Разработаны рекомендации по использованию полученных результатов при развитии микроволновых реакторов, обеспечивающих термическое разложение композиционной биомассы. Выполненное обобщение результатов исследований позволило обосновать рентабельность применения микроволновых реакторов для получения генераторного газа с повышенными концентрациями СО, СН| и Н2 при разном компонентном составе биомассы и применении добавок из индустриальных и коммунальных отходов.
