Теплофизическое обоснование пиролитической переработки возобновляемой биомассы за счет теплоты разложения

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью увеличения доли использования возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе для снижения вредного воздействия на окружающую среду. Цель: оценка возможности пиролиза древесной биомассы и торфа за счет тепловыделения от разложения органической части сырья. Объекты: образцы торфа с двух месторождений Томской области, являющихся перспективными для разработки в энергетических целях, - Суховского и Аркадьевского, а также древесные отходы двух видов - щепа и опилки. Методы: физический эксперимент и дифференциально-термический анализ. Теплотехнические характеристики древесной биомассы определены с помощью методик ГОСТ Р 56881-2016, ГОСТ 33503-2015 и ГОСТ Р 55660-2013; теплотехнические характеристики торфа - с помощью ГОСТ 11306-2013, ГОСТ 11305-2013 и ГОСТ Р 55660-2013. Теплота сгорания сырья определена на бомбовом калориметре АБК-1 (РЭТ, Россия), элементный состав определен на анализаторе Vario Micro Cube (Elementar, Германия) с учетом содержания диоксида углерода карбонатов, устанавливаемого объѐмным методом согласно ГОСТ 13455-91. Результаты. Установлены оптимальные параметры пиролитической переработки различных видов биомассы - температура пиролиза и влажность исходного сырья. Оптимальной температурой для пиролиза древесных отходов, доведенных до воздушно-сухого состояния, является 400 °C, при которой суммарный тепловой эффект максимален и составляет 36,3 кДж/кг для опилок и 78,8 кДж/кг для щепы, для суховского торфа при 500 °C суммарный тепловой эффект равен 149,7 кДж/кг. Максимальные значения влажности, обеспечивающие покрытие тепловых затрат за счет теплоты экзотермических реакций, при данных температурах пиролиза составили 10 % для древесных отходов и 14 % для суховского торфа. Величина суммарного теплового эффекта пиролиза аркадьевского торфа даже в сухом состоянии имеет отрицательное значение.

The relevance of the research is caused by the need of renewable energy sources share increase in the fuel and energy balance to reduce harmful impact on the environment. The main aim of the research is to evaluate the possibility of woody biomass and peat pyrolysis due to heat from the organic part decomposition of the raw material. Objects: peat samples from two deposits of the Tomsk region, promising for energy development, - Sukhovsky and Arkadievsky, as well as wood waste of two types - chips and sawdust. Methods: physical experiment and differential thermal analysis. Thermotechnical characteristics of woody biomass determined by the methods SS R 56881-2016, SS 33503-2015 and SS R 55660-2013; thermal characteristics of peat - using the SS 11306-2013, SS 113052013 and SS R 55660-2013. Calorific value of raw materials determined in the bomb calorimeter ABK-1 (RET, Russia), the elemental composition is determined by the analyser Vario Micro Cube (Elementar, Germany) taking into account the carbon dioxide content of the carbonates, established by volumetric method according to SS 13455-91. Results. The authors have established the optimal parameters of pyrolytic processing for various types of biomass, such as pyrolysis temperature and moisture of the raw material. The optimum temperature for pyrolysis of wood waste in the air-dry state is 400 °C, at which the total thermal effect is maximum and equal to 36,3 kJ/kg for sawdust and 78,8 kJ/kg for wood chips, for sukhovskoy peat at 500 °C total heat effect is equal to 149,7 kJ/kg. The maximum values of moisture, providing coverage of heat costs due to the heat of exothermic reactions, at these pyrolysis temperatures were 10 % for wood waste and 14 % for sukhovskoy peat. The value of the total thermal effect of arkadievsky peat pyrolysis even in the dry state has a negative value.