Расчетное исследование выхода твердых продуктов пиролиза древесины при повышенном давлении

. 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.

1. 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.

2. 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.19090222503

3. Klason, 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.19100232702

4. Effects 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)80221-4

5. Is 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/ef200450h

6. Basile, 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.

7. 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.

8. Хрусталев, 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.

9. 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)00253-1

10. Малько, 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/10.29235/1561-8358-2019-64-3-321-331

11. Исследование кинетики термического разложения пиролизной смолы / Малько М. В. [и др.] // Весці НАН Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2016. № 4. С. 84–90.

12. 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.

13. 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.