energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2022-65-4-355-365energy-2181Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGМоделирование процесса получения жидких продуктов пиролиза растительной биомассы с учетом скорости их охлажденияModeling the Process of Obtaining Liquid Pyrolysis Products of Plant Biomass Taking into Account the Rate of their CoolingВасилевичС. В.VasilevichS. V.

Адрес для переписки:Василевич Сергей Владимирович -Белорусская государственная академия авиации,ул. Уборевича, 77,220096, г. Минск, Республика Беларусь/Тел.: +375 17 249-97-65 svasilevich@yandex.ru

Address for correspondence:Vasilevich Siarhei V. - Belarusian State Academy of Aviation,77, Uborevich str.,220096, Minsk, Republic of Belarus.Tel.: +375 17 249-97-65svasilevich@yandex.ru

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

г. Минск

svasilevich@yandex.ruДегтеровД. В.DegterovD. V.

г. Минск

svasilevich@yandex.ruАсадчийА. Н.AsadchyA. N.

г. Минск

svasilevich@yandex.ruБелорусская государственная академия авиацииБеларусьBelarusian State Academy of AviationBelarusИнститут энергетики Национальной академии наук БеларусиБеларусьInstitute of Power Energy of National Academy of Sciences of BelarusBelarus202202082022654355365Copyright © Василевич С.В., Малько М.В., Дегтеров Д.В., Асадчий А.Н., 20222022Василевич С.В., Малько М.В., Дегтеров Д.В., Асадчий А.Н.Vasilevich S.V., Malko M.V., Degterov D.V., Asadchy 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/2181

В статье представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований термохимической конверсии древесной биомассы с получением жидких продуктов пиролиза с учетом скорости их охлаждения. Приведена методика расчета оптимальных режимных параметров (температуры и скорости охлаждения) технологического процесса. Предложено выражение для определения расхода древесного сырья в зависимости от температуры термохимической конверсии. Отмечено, что массовый выход жидких продуктов пиролиза из реактора слабо зависит от температуры и равен примерно 0,45 в диапазоне от 573 до 923 К. Для оценки влияния скорости их охлаждения использовано дифференциальное уравнение третьего порядка для модели, лимитированной скоростью реакции. Показано, что при охлаждении жидких продуктов пиролиза степень их конверсии стремится к определенному значению, отличному от 1. Получены расчетные данные по зависимости степени конверсии жидких продуктов пиролиза древесины от времени при различной скорости их охлаждения и температуре термохимической конверсии биомассы. Установлено, что отношение массового выхода охлажденных жидких продуктов пиролиза к начальной загрузке пиролизного реактора позволяет найти оптимальные условия охлаждения первичных продуктов пиролиза биомассы, осуществляемого при определенных температурах. Представлены графики зависимости указанного параметра от температуры процесса термохимической конверсии древесной биомассы для различных скоростей охлаждения. Показано, что максимально возможный их выход обеспечивается при температуре в реакторе 923–973 К и скорости охлаждения 700000–1200000 град./мин. Однако установление такой скорости – достаточно сложная техническая задача. Поэтому при осуществлении технологий получения жидких продуктов пиролиза ограничиваются температурами 773–800 К, при которых можно достичь практически реализуемой скорости охлаждения первичных продуктов разложения биомассы.

The article presents the results of computational and experimental studies of thermochemical conversion of wood biomass to obtain liquid pyrolysis products taking into account their cooling rate. The method of calculating the optimal operating parameters (temperature and cooling rate) of the techno-logical process is presented. An expression is proposed to determine the consumption of wood raw materials depending on the temperature of the thermochemical conversion process. It is noted that the mass yield of liquid pyrolysis products from the reactor poorly depends on temperature and is approximately 0.45 in the range from 573 to 923 K. To assess the effect of the cooling rate of liquid pyrolysis products, a third-order differential equation was used for a model limited by the reaction rate. It has been shown that when liquid pyrolysis products are cooled, the degree of their conversion tends to a certain value other than 1 (depending on the cooling rate). Calculated data on the dependence of the degrees of conversion of liquid wood pyrolysis products on time at different cooling rates and temperatures of thermochemical conversion of biomass have been obtained. It has been established also that the ratio of the mass yield of cooled liquid pyrolysis products to the initial loading of the pyrolysis reactor makes it possible to find optimal cooling conditions for the primary products of biomass pyrolysis carried out at certain temperatures. Graphs of the dependence of this parameter on the temperature of the thermochemical conversion of wood biomass for different cooling rates of liquid pyrolysis products are presented. It is shown that the maximum possible yield of liquid products is provided at a reactor temperature of 923–973 K and a cooling rate of 700000–1200000 degrees/min. However, achieving such cooling rates is rather a difficult technical task. Therefore, more limited temperature 773–800 K is accepted, at which a practically realizable cooling rate of primary biomass de-composition products is achieved.

древесинатермохимическая конверсияжидкие продукты пиролизаохлаждениепредельная степень конверсииwoodthermochemical conversionliquid pyrolysis productscoolinglimiting degree of conversionReferencesКорсак, Е. П. Формирование системы угроз энергетической безопасности Республики Беларусь // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 4. C. 388–398. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398.Korsak E. P. (2019) Formation of the System of Threats to Energy Security of the Republic of Belarus. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (4), 388–398. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398 (in Russian).Фортов, В. Е. Состояние развития возобновляемых источников энергии в мире и в России / В. Е. Фортов, О. С. Попель // Теплоэнергетика. 2014. № 6. С. 4–13.Fortov V. E., Popel’ O. S. (2014) The Current Status of the Development of Renewable Energy Sources Worldwide and in Russia. Thermal Engineering, 61, 389–398. https://doi.org/10.1134/S0040 601514060020.Bridgwater, A. V. Renewable Fuels and Chemicals by Thermal Processing of Biomass / A. V. Bridgwater // Chemical Engineering Journal. 2003. Vol. 91, Iss. 2–3. Р. 87–102. https://doi.org/10.1016/S1385-8947(02)00142-0.Bridgwater A. V. (2003) Renewable Fuels and Chemicals by Thermal Processing of Biomass. Chemical Engineering Journal, 91 (2–3), 87–102. https://doi.org/10.1016/S1385-8947(02)00142-0.Mohan, D. Pyrolysis of Wood/Biomass for Bio-Oil: A Critical Review / D. Mohan, Ch. U. Pittman, P. H. Steele // Energy and Fuels. 2006. Vol. 20, Iss. 3. P. 848–889. https://doi.org/10.1021/ef0502397.Mohan D., Pittman Ch. U., Steele P. H. (2006) Pyrolysis of Wood/Biomass for Bio-Oil: A Crit-ical Review. Energy and Fuels, 20 (3), 848–889. https://doi.org/10.1021/ef0502397.Babu, B. V. Heat Transfer and Kinetics in the Pyrolysis of Shrinking Biomass Particle / B. V. Babu, A. S. Chaurasia // Chemical Engineering Science. 2004. Vol. 59, Iss. 10. 1999–2012. https://doi.org/10.1016/j.ces.2004.01.050.Babu B. V., Chaurasia A. S. (2004) Heat Transfer and Kinetics in the Pyrolysis of Shrinking Biomass Particle. Chemical Engineering Science, 59 (10), 1999–2012. https://doi.org/10.1016/j.ces.2004.01.050.Miller, R. S. A Generalized Biomass Pyrolysis Model Based on Superimposed Cellulose, Hemicellulose and Lignin Kinetics / R. S. Miller, J. Bellan // Combustion Science and Technology. 1997. Vol. 126, Iss. 1–6. P. 97–137. https://doi.org/10.1080/00102209708935670.Miller R. S., Bellan J. (1997) A Generalized Biomass Pyrolysis Model Based on Superimposed Cellulose, Hemicellulose and Lignin Kinetics. Combustion Science and Technology, 126 (1–6), 97–137. https://doi.org/10.1080/00102209708935670.Lewis, F. M. Pyrogas From Biomass / F. M. Lewis, C. M. Ablow // A Conference on Capturing the Sun Through Bioconversion, March 10–12. Washington, 1976.Lewis F. M., Ablow C. M. (1976) Pyrogas From Biomass. A Conference on Capturing the Sun Through Bioconversion. March 10–12. Washington.Никитин, В. М. Химия древесины и целлюлозы / В. М. Никитин, А. В. Оболенская, В. П. Щеголев. М.: Лесная промышленность, 1978. 366 с.Nikitin V. M., Obolenskaya A. V., Shchegolev V. P. (1978) Chemistry of Wood and Cellulose. Moscow, Lesnaya Promyshlennost' Publ. 366 (in Russian).Chan, W.-C. R. Modelling and Experimental Verification of Physical and Chemical Processes during Pyrolysis of a Large Biomass Particle / W.-C. R. Chan, M. Kelbon, B. B. Krieger // Fuels. 1985. Vol. 64, Iss. 11. P. 1505–1513. https://doi.org/10.1016/0016-2361(85)90364-3.Chan W.-C. R., Kelbon M., Krieger B. B. (1985) Modelling and Experimental Verification of Physical and Chemical Processes during Pyrolysis of a Large Biomass Particle. Fuels, 64 (11), 1505–1513. https://doi.org/10.1016/0016-2361(85)90364-3.Малько, М. В. Исследование кинетики пиролиза древесной биомассы в изотермических условиях / М. В. Малько, С. В. Василевич // Весці НАН Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2019. T. 64, № 3. С. 321–332. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-3-321-331.Malko M. V., Vasilevich S. V. (2019) Kinetics of Pyrolysis of Wood Biomass under Isother-mal Conditions. Vestsі Natsyyanal'nai Akademіі Navuk Belarusі. Seryya Fіzіka-Tekhnіchnykh Navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-Technical Se-ries, 64 (3), 321–332. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-3-321-331 (in Russian).Исследование 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. Vestsі Natsyyanal'nai Akademіі Navuk Belarusі. Seryya Fіzіka-Tekhnіchnykh Navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-Technical Series, (3), 64–71 (in Russian).Расчетное исследование выхода твердых продуктов пиролиза древесины при повышенном давлении / С. В. Василевич [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 3. С. 253–263. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-3-253-263.Vasilevich S. V., Malko M. V., Degterov D. V., Asadchyi A. N. (2020) Computational Study of the Yield of Solid Wood Pyrolysis Products under High Pressure. Enеrgеtika. Izvestiya Vys-shikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (3), 253–263. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-3-253-263 (in Russian).Дмитриев, Г. М. Исследование термохимической конверсии биомассы для получения различных видов топлив / Г. М. Дмитриев, В. Н. Кожурин, М. В. Малько // Энергетика Молдовы – 2012: сб. материалов Междунар. конф. Кишенев, Молдова, 4–7 октября 2012. Кишенев, 2012. С. 324–330.Dmitriev G. M., Kozhurin V. N., Malko M. V. (2012) Investigation of Thermochemical Con-version of Biomass for Obtaining Various Types of Fuels. Energetika Moldovy – 2012: Sb. Ma-terialov Mezhdunar. Konf. Kishenev, Moldova, 4–7 Oktyabrya 2012 [Power Engineering of Moldova – 2012: Collected Materials of the International Conference. Kishinev, October 4–7, 2012]. Kishinev, 324–330 (in Russian).Новый метод анализа термогравиметрических данных / М. В. Малько [и др.] // Изв. ВУ-Зов. Химия и химическая технология, 2021. Т. 64, Вып. 3. С. 24–32. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216403.6348.Malko M. V., Vasilevich S. V., Mitrofanov A. V., Mizonov V. E. (2021) An Innovate Method of Thermogravimetric Data Analysis. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii: Khimiya i Khimicheskaya Tekhnologiya [The Journal ChemChemTech], 64 (3), 24–32. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216403.6348 (in Russian).

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