Изменение теплофизических характеристик биомассы с различной долей минерализации в процессе медленного пиролиза

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью изучения изменения теплофизических характеристик биомассы в процессе её термического преобразования применительно к проектированию технологического оборудования и энергетическому использованию. Цель: изучение теплофизических характеристик биомассы с различной долей минерализации в процессе её медленного пиролиза. Объекты: ресурсы биомассы, имеющие различную степень минерализации - солома (A d=2,8 %), некондиционные пшеничные отруби (A d=6,9 %), низинный торф Суховского месторождения (A d=22,8 %). Методы. Теплотехнические характеристики образцов биомассы и их углеродистого остатка определены согласно аттестованным методикам (ГОСТ Р 54186-2010 (EN 14774-1: 2009), ГОСТ Р 56881-2016 (Е1755-01), ГОСТ 11305-2013, 11306-2013, ГОСТ 32990-2014 (EN 15148: 2009); значения теплоты сгорания установлены при помощи калориметра АБК-1 (РЭТ, Россия) в соответствии с ГОСТ 147-2013 (ISO 1928-2009); элементный анализ органической части определен на приборе Vario Micro Cube (Elementar, Германия); термическая переработка осуществлена методами дифференциального термического анализа и физического эксперимента; теплофизические характеристики биомассы и её углеродистого остатка измерены методом лазерной вспышки при помощи анализатора температуропроводности Discovery Laser Flash 1 (DLF-1); измерения истинной плотности выполнены с помощью автоматического газового пикнометра Ultrapyc-1200e (Quantachrome Instruments, США); структуру рассматриваемого углеродного остатка, полученного при пиролизе биомассы, исследовали методом сканирующей микроскопии на электронном микроскопе VEGA 3 SBU (TESCAN, Чехия). Результаты. Пиролиз соломы и отрубей протекает в две стадии, различающиеся средней скоростью разложения - (0,38…0,41) % °С-1 и 0,09 % °С-1 соответственно. Разложение торфа протекает во всем температурном диапазоне 220-500 °С при среднем значении скорости разложения 0,11 % °С-1 . Теплопроводность углеродных остатков из соломы и отрубей, имеющих относительно невысокую для биомассы величину зольности, несущественно изменяется вплоть до 400 °С, после чего её значение возрастает. Теплоемкость этих образцов увеличивается с температурой их получения до 300 °С, после чего происходит её резкое снижение. Углеродистый остаток, полученный при 500 °С, имеет более высокое значение теплоемкости по сравнению с остатком при 400 °С. Отмеченные изменения можно объяснить разложением компонентов органической части биомассы - целлюлозы и лигнина. Теплоемкость и теплопроводность углеродного остатка из суховского торфа, имеющего высокую долю минерализации (Ad=22,8 %), снижаются во всем рассмотренном температурном диапазоне, что обусловлено повышением доли неорганических компонентов за счет разложения органической массы, что подтверждается ростом плотности твердой фазы.

The work relevance is caused by the need to study the changes of biomass thermophysical characteristics in its thermal transformation in relation to the design of technological equipment and energy use. The main aim of the research is to study the thermophysical characteristics during slow pyrolysis of biomass with different mineralization amount. Objects: biomass resources with different amount of mineralization - straw (Ad=2,8 %), nonconforming wheat bran (Ad=6,9 %), lowland peat of the Sukhovsky deposit (Ad=22,8 %). Methods. Thermotechnical characteristics of biomass samples and their carbon residue are determined according to certified methods (GOST R 54186-2010 (EN 14774-1: 2009), GOST R 56881-2016 (E1755-01), GOST 11305-2013, 11306-2013, GOST 32990-2014 (EN 15148: 2009)); values of the calorific value were determined using the ABK-1 calorimeter (RET, Russia) in accordance with GOST 147- 2013 (ISO 1928-2009); elemental analysis of organic part was carried out on a Vario Micro Cube (Elementar, Germany) device; thermal processing was carried out by differential thermal analysis and physical experiment; the thermophysical characteristics of the biomass and its carbon residue were measured by laser flash method using the thermal conductivity analyzer Discovery Laser Flash 1 (DLF-1); the true density was measured using an automatic gas pycnometer Ultrapyc-1200e (Quantachrome Instruments, USA); the carbon residue structure was studied by scanning microscopy VEGA 3 SBU electron microscope (TESCAN, Czech Republic). Results. Straw and bran pyrolysis proceeds in two stages, differing in the average rate of decomposition - (0,38…0,41) %·°C-1 and 0,09 %·°C-1 respectively. Peat decomposition occurs in the whole temperature range (220-500 °C) with an average decomposition rate of 0,11 %·°C-1 . It was found that the thermal conductivity of carbon residue from straw and bran, which have a relatively low ash content for biomass, does not significantly change up to 400 °C, after which this value increases. The heat capacity of these samples increases with the temperature of their production to 300 °C, after which it sharply decreases. The carbon residue obtained at 500 °C has a higher heat capacity value compared to the residue obtained at 400 °C. These changes can be explained by decomposition of biomass organic part components - cellulose and lignin. The heat capacity and the thermal conductivity of sukhovsky peat carbon balance have a high mineralization amount (Ad=22,8 %), decrease in all temperature range, due to the inorganic components share increase in result of organic part decomposition, which is confirmed by the solid phase density increase.