Моделирование процесса получения жидких продуктов пиролиза растительной биомассы с учетом скорости их охлаждения

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.

1. Корсак, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Никитин, В. М. Химия древесины и целлюлозы / В. М. Никитин, А. В. Оболенская, В. П. Щеголев. М.: Лесная промышленность, 1978. 366 с.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.