Технические науки/ 5. Энергетика

К.т.н., доцент Тунцев Д.В., аспирант Касимов А.М., магистрант Хайруллина Э.К., студент Романчева И.С., студент Савельев А.С.

Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ БЫСТРОГО ТЕРМОКОНДУКТИВНОГО ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ.

В настоящее время, энергетическая безопасность и устойчивое развитие промышленности являются двумя основными вопросами, с которым сталкивается мир.

Биомасса является возобновляемым энергетическим ресурсом. Такие энергетические ресурсы являются потенциальным источником экологически чистой энергии, и могут заменить ископаемые виды топлива. Существует целый ряд технологических решений широкого использования древесной биомассы в качестве возобновляемого источника энергии[1].

Одним из эффективных способов переработки является процесс быстрого термокондуктивного пиролиза древесной биомассы с получением высокоэнергетического жидкого топливо (пиролизной жидкости) [2]. Однако, получаемая пиролизная жидкость, как жидкое топливо имеет ряд неблагоприятных свойств: высокая влажность, высокая коксуемость, кислотность, многогранный нестабильный состав, высокое содержание кислорода (30 – 45%)[3]. Для устранения данных недостатков применяется процесс газификации пиролизной жидкости с получением высококалорийного газового топлива, который можно применить для различных приемов химического синтеза (например: метанол, диметиловый эфир и др.) и в двигателях внутреннего сгорания[4].

Для исследования механизма процесса газификации жидких продуктов термокондуктивного пиролиза древесной биомассы проводили термогравиметрический (ТГ) анализ термического разложения пиролизной жидкости в термоанализаторе (модель NETZSCH STA409C).

Экспериментальное исследование термического разложения жидких продуктов термокондуктивного пиролиза древесной биомассы выполнилось следующим образом: Образец (пиролизную жидкость) нагревали с температуры окружающей среды до 150°С со скоростью 10°С/мин и выдерживали при этой температуре в течение 10 мин для удаления влаги. После этого пиролизную жидкость нагревают до температуры 900°С и выдерживают при этой температуре в течение 3 мин. Для удаления газообразных и конденсируемых продуктов из печи (ТГ) и минимизации вторичного разложения парогазовой смеси, подается (N₂), со скоростью потока 150 мл / мин. Выделившиеся газы из печи (ТГ) поступают в газовую камеру, с последующим анализом ИК-Фурье (Gasmet DX4000) и использованием детектора дейтерированного триглицинсульфата (DTGS). Линии передачи и газовая камера нагреваются до температуры 180°С, чтобы избежать конденсации или адсорбции летучих продуктов. Анализ (ТГ) термического разложения пиролизной жидкости проводился в скоростях нагрева 5, 10 и 20 ⁰С/мин. Образцы отдельно нагревались от температуры окружающей среды до 900 °С для регистрации дальнейшего снижения веса.

На рис. 1.1. и 1.2. представлены термогравиметрические (ТГ) кривые и кривые дифференциальной сканирующей калориметрии термического разложения пиролизной жидкости в зависимости от скорости нагрева.

При термической деструкции пиролизной жидкости происходит два основных диапазона потери веса. Первая быстрая стадия по снижению веса, который включает удаление влажности и легких углеводородов (альдегидов, органических карбоновых кислот и спиртов) пиролизной жидкости, происходит в интервале температур от 50 до 120 ° С. При температурах ниже 100 °С, потеря веса составляет 30%.

Во втором этапе происходит термическое разложение компонентов пиролизной жидкости как фенол, эвгенол, ванилин, полученного на первом этапе, в котором происходит нагревание при температуре выше 200 °С. Разрыв химических связей тяжелых компонентов пиролизной жидкости осуществляется с выделением большого количества тепловой энергии, следовательно, наблюдается отрицательное значение на кривых дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК); это было в основном вызвано испарением и разложением.

Рис. 1.1. Термогравиметрические кривые термического разложения пиролизной жидкости в зависимости от скорости нагрева.

Рис. 1.2. Кривые дифференциальной сканирующей калориметрии термического разложения пиролизной жидкости в зависимости от скорости нагрева.

Из полученных кривых, в результате анализа видно, что максимальная потеря веса происходит в интервале температур от 100 до 150°С. При дальнейшем нагревании свыше 500°С не замечается снижения веса. Температура нагрева увеличивается до полного завершения реакции. Кривые ТГ / ДСК при различных скоростей нагрева (5 °С / мин и 20 °С/мин), получились практический одинаковыми. Результаты, соответствующие скорости нагрева 10°С/мин отличались от результатов, по данным кинетических параметров, молекулярное тепловыделение термического разложения пиролизной жидкости при скорости нагрева 10°С/мин получается самой высокой. Наибольшее снижения массы пиролизной жидкости наблюдается при скорости нагрева (5 °С/ мин и 20°С/ мин).

Литература.

[1]. Тунцев, Д.В. Биопластики на основе лигнина [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, Ф.М. Филиппова, М.Р. Хайруллина, И.Н. Ковернинский, И.Ф. Гараева // Вестник Казанского технологического университета. –2014.–№ 15. Т.17. –С.192- 194.

[2]. Тунцев, Д.В. Переработка лигнина термокондуктивным пиролизом [Текст]/ Д.В. Тунцев, М.Р. Хайруллина, Э.К. Хайруллина// Деревообрабатывающая промышленность. –2015.–№ 4. –С.19-22.

[3]. Тунцев, Д.В. Промышленная установка двухэтапной термической переработки отходов лесного комплекса [Текст] / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Э.К. Хайруллина, Х.Г. Мусин, А.С. Савельев// Вестник Казанского технологического университета. –2015.–№ 15. Т.18. –С.132-134.

[4]. Тунцев, Д.В. Исследование свойств продуктов термического разложения отработанных деревянных шпал [Текст] / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, Р.Г. Хисматов, М.Р. Хайруллина, Э.К. Хайруллина// Вестник Казанского технологического университета. –2015.–№ 21. Т.18. –С.94-96.