energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2020-63-3-253-263energy-1961Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGРасчетное исследование выхода твердых продуктов пиролиза древесины при повышенном давленииComputational Study of the Yield of Solid Wood Pyrolysis Products under High PressureВасилевичС. B.VasilevichS. V.

Адрес для переписки: Василевич Сергей Владимирович - Белорусская государственная академия авиации, ул. Уборевича, 77, 220096, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 341-94-22

svasilevich@yandex.ru

Address for correspondence: Vasilevich Sergey V. - Belarusian State Academy of Aviation, 77, Uborevichа str., 220096, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 341-94-22

svasilevich@yandex.ru

svasilevich@yandex.ruМалькоМ. В.MalkoM. V.

 г. Минск

ДегтеровД. В.DegterovD. V.

 г. Минск

АсадчийА. Н.AsadchyiA. N.

 г. Минск

Белорусская государственная академия авиацииБеларусьBelarusian State Academy of AviationBelarusИнститут энергетики НАН БеларусиБеларусьInstitute of Power Engineering of the National Academy of Sciences of BelarusBelarus202028052020633253263Copyright © Василевич С.B., Малько М.В., Дегтеров Д.В., Асадчий А.Н., 20202020Василевич С.B., Малько М.В., Дегтеров Д.В., Асадчий А.Н.Vasilevich S.V., Malko M.V., Degterov D.V., Asadchyi A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/1961

. В статье представлена кинетическая модель пиролиза древесины под давлением с учетом диффузии образующихся газофазных продуктов (тяжелых углеводородов) и реакций их разложения. В основу модели положен упрощенный механизм пиролиза древесины, включающий две последовательные химические реакции: первичную реакцию разложения древесной биомассы с образованием твердых и газообразных компонентов и реакцию термического разложения в порах биомассы углеводородов, образовавшихся в первичном процессе. Модель учитывает диффузию первичных продуктов пиролиза из образовавшихся пор и термическое разложение их в порах. На основании разработанной модели создана компьютерная программа расчета основных параметров процесса пиролиза под давлением, проведены вычисления массового выхода твердых продуктов пиролиза в различных условиях. При расчете учитывались основные параметры, влияющие на выход твердых продуктов древесной биомассы: температура и давление пиролиза, размеры частиц, пористость и др. Установлено, что повышение давления, при котором осуществляется пиролиз древесной биомассы, приводит к увеличению образования количества твердых продуктов, что соответствовало экспериментальным данным. При давлении 1 атм и размере частицы 0,025 м максимальный выход твердых продуктов наблюдается при температуре 600 °С. С ростом давления значение максимального выхода возрастает, при этом температура, при которой достигается максимум, снижается. При давлении 10 атм и размере частицы 0,025 м максимальный выход твердых продуктов наблюдается при температуре около 500 °С – в 1,18 раза больше, чем при 1 атм. Отмечено, что температура максимального выхода древесного угля снижается с увеличением размеров пиролизуемых частиц. Так, при размере частицы 0,5 м эта температура составляет порядка 400 °С при 10 атм.

The kinetic model of wood pyrolysis under pressure is discussed in the present paper taking into account the diffusion of the resulting gas-phase products (i.e. heavy hydrocarbons) and their decomposition reactions. This model is based on a simplified mechanism of wood pyrolysis, including two parallel chemical reactions, viz. the primary decomposition reaction of  wood biomass with the formation of solid and gaseous components and the thermal decomposition reaction in the biomass pores of hydrocarbons formed in the primary process. The model takes into account the diffusion processes of the primary pyrolysis products from the resulting pores and thermal decomposition in the pores of these products. Based on the developed model, a computer program for calculating the main parameters of the pyrolysis process under pressure was created and the mass yield of solid pyrolysis products under various conditions was calculated. The calculation took into account the main parameters that affect the yield of solid wood biomass products, viz. temperature and pyrolysis pressure, particle sizes, porosity, etc. The calculations demonstrated that the increase of the pressure at which the pyrolysis of wood biomass is carried out causes an increase of the formation of the amount of solid products, which corresponds to the available experimental data. It was established that at a pressure of 1 atm when a sample size is of 0.025 m, the maximum yield of solid products is observed at the temperature of 600 °C. As the pressure increases the maximum yield increases, while the temperature at which the maximum is reached decreases. So, at a pressure of 10 atm when a particle size is of 0.025 m, the maximum yield of solid products is observed at the temperature of about 500 °C, and it is higher than that at 1 atm by 1.18 times. It was also determined that the temperature of the maximum yield of charcoal decreases with increasing sizes of pyrolyzable samples. Thus, when a sample size is of 0.5 m, this temperature is about 400 °C at 10 atm.

древесинатермическое разложениеизбыточное давлениевторичные реакцииконстанты скорости реакциймассовый выходwoodthermal decompositionoverpressuresecondary reactionsreaction rate constantsmass yieldReferencesИсследование процесса получения древесного угля путем пиролиза под давлением / С. В. Василевич и др. // Весці НАН Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2017. № 3. С. 64–71.Vasilevich S. V., Malko M. V., Bahach U. N., Degterov D. V., Asadchyi A. N. (2017) Study of the Process of Charcoal Producing by Pyrolysis under Pressure. Vestsi Natsyyanal’nai akad-emii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, (3), 64-71 (in Russian).Klason, P. Untersuchungen zur Holzverkohlung. I. Die trockene Distillation der Cellulose / P. Klason, G. Heidenstam, E. Norlin // Z. Angew. Chem., 1909. Vol. 22, Iss. 25. S. 1205–1214. https://doi.org/10.1002/ange.19090222503Klason P., Heidenstam G., Norlin E. (1909) Untersuchungen zur Holzverkohlung. I. Die trockene Distillation der Cellulose. Zeitschrift für Angewandte Chemie, 22 (25), 1205–1214. https://doi.org/10.1002/ange.19090222503Klason, P. Untersuchungen zur Holzverkohlung. II. Die trockene Distillation des Holzes von Kiefer, Fichte, Birke und Buche / P. Klason, G. Heidenstam, E. Norlin // Z. Angew. Chem., 1910. Vol. 23, Iss. 27. S. 1252–1254. https://doi.org/10.1002/ange.19100232702Klason P., Heidenstam G., Norlin E. (1910) Untersuchungen zur Holzverkohlung. II. Die trockene Distillation des Holzes von Kiefer, Fichte, Birke und Buche. Zeitschrift für An-gewandte Chemie, 23 (27),1252–1254. https://doi.org/10.1002/ange.19100232702Effects of Pressure on Biomass Pyrolysis. I Cellulose Pyrolysis Products / W. S.-L. Mok, M. J. Jr. Antal // Thermochimica Acta. 1983. V. 68, N 2-3. P. 155–164. https://doi.org/10.1016/0040-6031(83)80221-4Mok W. S.-L., Antal M. J. Jr. (1983) Effects of Pressure on Biomass Pyrolysis. I Cellulose Pyrolysis Products. Thermochimica Acta, 68 (2-3), 155–164. https://doi.org/10.1016/0040-6031(83)80221-4Is Elevated Pressure Required to Achieve a High Fixed-Carbon Yield of Charcoal from Bi-omass. Part 1: Round-Robin Results for three Different Corncob Materials / L. Wang et al. // Energy & Fuels. 2011. Vol. 25, N. 7. P. 3251–3265. https://doi.org/10.1021/ef200450hWang L., Trninic M., Skreiberg O., Gronli M., Considine R., Antal M. J. (2011) Is Elevated Pressure Required to Achieve a High Fixed-Carbon Yield of Charcoal from Biomass. Part 1: Round-Robin Results for three Different Corncob Materials. Energy & Fuels, 25 (7), 3251–3265. https://doi.org/10.1021/ef200450hBasile, L. The Role of Pressure in the Heat of Pyrolysis of a Lignocellulosic Biomass / L. Basile, A. Tugnoli, V. Cozzani // Chem. Eng. Trans. Vol. 43. 2015, p. 451–456.Basile L., Tugnoli A., Cozzani V. (2015) The Role of Pressure in the Heat of Pyrolysis of a Lignocellulosic Biomass. Chemical Engineering Transactions, 43, 451–456.Хрусталев Б. М. Технология эффективного использования углеводородсодержащих от-ходов в производстве многокомпонентного твердого топлива. / Б. М. Хрусталев, А. Н. Пехота // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объедине-ний СНГ. 2016. T. 59, № 2. C. 122-140. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016-59-2-122-140.Khroustalev B. M., Pekhota A. N. (2016) Technology for Efficient Usage of Hydrocarbon-Containing Waste in Production of Multi-Component Solid Fuel. Energetika. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii i energeticheskikh ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 59 (2), 122–140 (in Rus-sian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016-59-2-122-140Хрусталев, Б. М. Твердое топливо из углеводородсодержащих, древесных и сельскохо-зяйственных отходов для локальных систем теплоснабжения / Б. М. Хрусталев, А. Н. Пе-хота // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Т. 60, № 2. С. 147–158. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-2-147-158.Khroustalev B. M., Pekhota A. N. (2017) Solid Fuel of Hydrocarbon, Wood and Agricultural Waste for Local Heat Supply Systems. Energetika. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii i en-ergeticheskikh ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 60 (2), 147–158. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-2-147-158 (in Russian).Vyazovkin, S. Model-free and Model-fitting Approaches to Kinetic Analysis of Isothermal and Nonisothermal Data / S. Vyazovkin, Ch. A. Wight // Thermochimica Acta. 1999. Vol. 340–341. P. 53–68. https://doi.org/10.1016/s0040-6031(99)00253-1Vyazovkin S., Wight Ch. A. (1999) Model-free and Model-fitting Approaches to Kinetic Analysis of Isothermal and Nonisothermal Data. Thermochimica Acta, 340-341, 53–68. https://doi.org/10.1016/s0040-6031(99)00253-1Малько, М. В. Исследование кинетики пиролиза древесной биомассы в изотермиче-ских условиях / М. В. Малько, С. В. Василевич // Весці НАН Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2019. Т. 64, № 3. С. 321–331. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-3-321-331Malko M. V., Vasilevich S. V. (2019) Kinetics of Pyrolysis of Wood Biomass under Isother-mal Conditions. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 64 (3), 321–331 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-3-321-331Исследование кинетики термического разложения пиролизной смолы / Малько М. В. [и др.] // Весці НАН Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2016. № 4. С. 84–90.Malko M. V., Asadchyi A. N., Vasilevich S. V., Degterov D. V. (2016) Study of the Ki-netics of Pyrolytic Tar Thermal Decomposition. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sci-ences of Belarus. Physical-technical series, (4), 84–90 (in Russian).Сафин, Р. Р. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулиро-вании давления среды / Р. Р. Сафин, И. А. Валиев, Р. Г. Сафин // Лесной вестник. 2005. № 2. С. 168–173.Safin R. R., Valiev I. A., Safin R. G. (2005) Mathematical Modeling of Wood Pyrolysis Process at Medium Pressure Regulation. Lesnoy Vestnik=Foresty Bulletin, (2), 168–173 (in Russian).Методика расчета процесса термического разложения древесного сырья при регулирова-нии давления среды / Р. Р. Хасаншин и др. // Вестник Казанского технологического университета. 2014. №10. С. 69–73.Khasanshin R. R., Khaziyeva D. R., Valiev I. A., Timerbaeva A. L. (2014) A Method of Calculation of the Process of Thermal Decomposition of Wood Raw Materials in the Reg-ulation of the Pressure of the Environment. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo uni-versiteta Herald of Kazan Technological University, (10), 69–73 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.