Теплотехника и химическая кинетика процесса торрефикации древесных пеллет

Abstract

Актуальность. Широкое распространение и доступность биомассы в регионах России позволяют рассматривать ее как возобновляемый источник энергии с меньшим негативным воздействием на окружающую среду по сравнению с ископаемым топливом, поскольку биомасса признается углеродно-нейтральным топливом. Возрастают масштабы использования биомассы как топлива в виде пеллет, что обеспечивает повышенную плотность и теплоту сгорания. Вместе с тем пеллеты как топливо или как технологическое сырье имеют существенный недостаток - низкую гидрофобность. Указанная проблема решается посредством торрефикации - низкотемпературного пиролиза при температуре 200-300 °С с получением биоугля. Исследование процесса торрефикации древесных пеллет с целью его совершенствования является актуальной задачей. Цель: выявление влияния параметров торрефикации древесных пеллет на теплотехнические характеристики продукта (высшая теплота сгорания биоугля) и режимные параметры процесса (массовый и энергетический выходы), а также определение параметров химической кинетики низкотемпературного пиролиза как основы математического моделирования и разработки эффективных реакторов торрефикации. Объект: подвергаемые торрефикации древесные пеллеты хвойных пород отечественного производства (Московская область). Методы: экспериментальное исследование теплотехнических характеристик процесса низкотемпературного пиролиза; синхронный термический анализ в инертной среде. Результаты. Установлено, что при торрефикации древесных пеллет в инертной атмосфере изменение времени выдержки в интервале 30-60 минут несущественно влияет на высшую теплоту сгорания, массовый и энергетический выход биоугля, в то время как повышение температуры с 250 до 300 °С снижает массовый и энергетический выход, а высшая теплота сгорания возрастает на 26 %. Посредством синхронного термического анализа определены динамика потери массы и тепловые эффекты при нагреве до 600 °С со скоростью 10 K/мин. Установлено, что химическая кинетика процесса описывается обобщенной реакцией порядка n=1,507, в уравнении Аррениуса энергия активации Е=71,25 кДж/моль, предэкспоненциальный множитель А=4772 с-1

Relevance. The widespread distribution and availability of biomass in the regions of Russian Federation make it possible to consider it as a renewable energy source with a lower negative impact on the environment compared to fossil fuels, since biomass is recognized as a carbon-neutral fuel. The use of biomass as a fuel in the form of pellets is increasing, which provides increased density and heat value. At the same time, pellets as a fuel or as a technological raw material have a significant disadvantage - low hydrophobicity. This problem is solved by torrefaction - low-temperature pyrolysis at a temperature of 200-300°C to produce bio-carbon. The study of the wood pellets torrefaction in order to improve it is an urgent task. Aim. To identify the impact of the parameters of the torrefaction of wood pellets on the thermal characteristics of the product (the highest heat value of bio-coal) and the regime parameters of the process (mass and energy yields), as well as to determine the parameters of the chemical kinetics of low-temperature pyrolysis as the basis for mathematical modeling and development of efficient torrefaction reactors. Object. Torrefied coniferous wood pellets of domestic production (Moscow region). Methods. Experimental study of the low-temperature pyrolysis thermal characteristics; synchronous thermal analysis in an inert atmosphere. Results. It was found that during the torrefaction of wood pellets in an inert atmosphere, a change in the holding time in the range of 30-60 minutes does not significantly affect the higher heat value, mass and energy yield of bio-coal, while an increase in temperature from 250 to 300°C reduces mass and energy yield, and the higher heat value increases by 26%. The dynamics of mass loss and thermal effects when heated to 600°C at a rate of 10 K/min are determined by means of the synchronous thermal analysis. It is established that the chemical kinetics of the process is described by a generalized reaction of the order n=1.507, in the Arrhenius equation the activation energy E=71.25 kJ/mol, the preexponential factor A=4772 s-1