Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси
Рассмотрены режимные условия, необходимые для реализации низкотемпературного абляционного пиролиза биомассы. Проанализировано влияние основных режимных параметров на выход жидкого продукта быстрого пиролиза. Показано комплексную зависимость выхода пиротоплива от условий процесса. Розглянуто режимні...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59079 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси / Т.А. Желєзна, Г.Г. Гелетуха, В.І. Зубенко, О.І. Дроздова // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 67-71. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859951127631495168 |
|---|---|
| author | Желєзна, Т.А. Гелетуха, Г.Г. Зубенко, В.І. Дроздова, О.І. |
| author_facet | Желєзна, Т.А. Гелетуха, Г.Г. Зубенко, В.І. Дроздова, О.І. |
| citation_txt | Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси / Т.А. Желєзна, Г.Г. Гелетуха, В.І. Зубенко, О.І. Дроздова // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 67-71. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Рассмотрены режимные условия, необходимые для реализации низкотемпературного абляционного пиролиза биомассы. Проанализировано влияние основных режимных параметров на выход жидкого продукта быстрого пиролиза. Показано комплексную зависимость выхода пиротоплива от условий процесса.
Розглянуто режимні умови, необхідні для реалізації низькотемпературного абляційного піролізу біомаси. Проаналізовано вплив основних режимних параметрів на вихід рідкого продукту швидкого піролізу. Показано комплексну залежність виходу піропалива від умов процесу.
The paper considers conditions, which are required for the realization of low temperature ablative pyrolysis of biomass. Influence of the main parameters on yield of the liquid product is analysed. Complex dependence of the bio-oil yield on the process conditions is shown.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:16:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №2 67
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
УДК 662.76
Желєзна Т.А., Гелетуха Г.Г., Зубенко В.І., Дроздова О.І.
Інститут технічної теплофізики НАН України
АНАЛІЗ РЕЖИМНИХ УМОВ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОГО
АБЛЯЦІЙНОГО ПІРОЛІЗУ БІОМАСИ
Розглянуто режимні умови,
необхідні для реалізації низько-
температурного абляційного піро-
лізу біомаси. Проаналізовано
вплив основних режимних пара-
метрів на вихід рідкого продук-
ту швидкого піролізу. Показано
комплексну залежність виходу пі-
ропалива від умов процесу.
Рассмотрены режимные усло-
вия, необходимые для реализации
низкотемпературного абляционного
пиролиза биомассы. Проанализиро-
вано влияние основных режимных
параметров на выход жидкого про-
дукта быстрого пиролиза. Показано
комплексную зависимость выхода
пиротоплива от условий процесса.
The paper considers conditions,
which are required for the realization
of low temperature ablative pyrolysis
of biomass. Influence of the main
parameters on yield of the liquid
product is analysed. Complex de-
pendence of the bio-oil yield on the
process conditions is shown.
е – товщина шару абляції;
g – прискорення вільного падіння;
k – коефіцієнт теплопередачі;
P – тиск;
Т – температура;
V – швидкість абляції.
Швидкий піроліз біомаси є технологією
термохімічної конверсії, яка дає можливість
максимізувати вихід рідкого або газоподібного
продукту в залежності від температури про-
цесу. При низьких температурах (450…600 °С)
основним продуктом є рідина, яку називають
піропаливо або біонафта. Її обсяг може стано-
вити до 70 % маси сухої сировини. Високотем-
пературний швидкий піроліз (650…900 °С) дає
максимальний вихід газу також до 70 % маси
сухої сировини. Огляд сучасних технологій
швидкого піролізу біомаси представлено в [1].
Абляційний піроліз є одним з видів швид-
кого піролізу біомаси. На сьогодні відомі такі
види абляційних реакторів: пластинчатий, ко-
нусний, вихровий та шнековий. Опис деяких з
них наведено в роботі [2].
При конструюванні реактору абляційного
піролізу та розробці технологічної схеми
установки необхідно, по-перше, забезпечити
режимні параметри протікання процесу як та-
кого і, по-друге, створити умови для високого
виходу рідкого продукту.
Розглянемо типову схему абляційного пі-
ролізу біомаси (рис. 1), реалізовану на експе-
риментальній установці авторами [3]. Деревні
стержні діаметром 2…10 мм, вирізані вздовж
волокон, вертикально з силою притискаються
до гарячого диску з нержавіючої сталі діамет-
ром 7,5 см. Диск обертається зі швидкістю до
Рис. 1. Схема абляційного піролізу біомаси
в пластинчатому реакторі [3]:
1 – електромотор; 2 – напрямок тиску на
деревний стержень; 3 – деревний стержень;
4 – диск, що обертається; 5 – нагрів диску
газовими пальниками.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №268
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
3 м/с і нагрівається чотирма газовими паль-
никами. Температура робочої поверхні диску
в експериментах коливалась в діапазоні 750…
1200 К. Тиск, з яким біомаса притискалась до
диску, змінювався від 0,15 МПа до 3 МПа.
Результати дослідження [3] показали, що
реакція абляційного піролізу відбувається в
дуже тонкому шарі матеріалу е (кілька мікро-
метрів) при постійній швидкості абляції V, що
становить порядку кількох міліметрів в секун-
ду (максимальне значення, зафіксоване в
дослідах – 30 мм/с). З ростом швидкості абля-
ції товщина шару зменшується, при цьому до-
буток V·е залишається постійною величиною,
рівною близько 0,8·10-7 м/с.
При швидкості обертання диску нижче
1,5 м/с швидкість абляції значно більша для
деревних стержнів малого діаметру (2…4 мм).
При швидкості диску вище 1,5 м/с ця різниця
різко зменшується і нею можна нехтувати.
Швидкість абляції збільшується з ростом
тиску Р по залежності, близькій до лінійної:
V = a·Pβ, (1)
де а – коефіцієнт, який залежить від темпера-
тури, β – коефіцієнт, значення якого є близь-
ким до одиниці (табл. 1).
Якщо розглянути графік, на якому пря-
мою апроксимовано експериментальні дані
по залежності V/P від температури (рис. 2),
то видно, що пряма перетинає вісь абсцис
у точці Tw = 739 К. Це так звана температура
«розкладання» деревини, при досягненні якої
починається процес абляційного піролізу де-
ревного стержня. Таким чином, в абляційному
реакторі необхідно забезпечити температуру
нагріву біомаси більше 739 К (466 °С).
Теплопередача між гарячою поверхнею
диска та біомасою відбувається за рахунок
Табл. 1. Значення показників а та β із залежності (1) [3]
Показник
Температура робочої поверхні диску Tw, К
873 973 1073 1173
β 0,993 0,997 1,010 0,982
а, 10-9 м/(с·Па) 3,64 4,67 6,10 12,9
комбінації двох процесів: теплообміну при їх
безпосередньому контакті та теплопередачі
через тонку плівку рідкого продукту реакції
(смол). Реакція швидкого піролізу протікає у
три етапи: нагрів деревини, розкладання з ут-
воренням смол та випаровування смол з утво-
ренням парогазової суміші.
Для практичної реалізації абляційного пі-
ролізу необхідно забезпечити високу щільність
теплового потоку в зоні реакції – порядку
5 МВт/м2. Оскільки плівка смол уповільнює
процес нагріву біомаси від гарячої поверхні
реактора, її треба ефективно видаляти з зони
абляції.
Коефіцієнт теплопередачі k можна розра-
хувати по залежності від тиску:
k = 0,017·P. (2)
В дослідах [3] коефіцієнт теплопередачі
коливався в діапазоні 2000…80000 Вт/(м2·К).
При низькотемпературному абляційному
піролізі біомаси вихід піропалива становить
50…70% маси сухої сировини [3-8]. Оскільки
низькотемпературний швидкий піроліз вико-
ристовується саме для отримання максималь-
ного обсягу рідкого продукту (у порівнянні
з газоподібними та твердими продуктами),
необхідно розуміти, які режимні параметри і
яким чином впливають на його вихід в такому
процесі.
Вихід піропалива залежить від ряду фак-
торів, таких як температура процесу, час іс-
нування парогазової суміші до початку її охо-
лодження та температура цієї суміші. При цьо-
му немає жорсткої залежності тільки від од-
ного параметру – впливають всі параметри в
комплексі, тобто їх співвідношення. Крім того,
у різних температурних діапазонах вплив того
чи іншого параметру може посилюватися або
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 34, №2 69
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
послаблюватися.
Розглянемо результати дослідження про-
цесу абляційного піролізу біомаси у пла-
стинчатому реакторі конструкції Астонсько-
го університету [4, 5]. Абляційний ефект до-
сягається за допомогою чотирьох асиметрич-
но розташованих лопаток, що обертаються
зі швидкістю до 200 об/хв. Лопатки притис-
кають частинки біомаси (деревини) до плос-
кої металевої поверхні, нагрітої до темпера-
тури 500...600 °С (рис. 3). Використання обер-
тових лопаток є ефективним способом швид-
кої абляції відносно великих часток біомаси
(до 6 мм).
Для отримання максимальної кількості
рідкого продукту час існування парогазової
суміші має становити близько 2 секунд, але не
більше 6 секунд. У разі часу існування > 6 се-
кунд можливий вторинний крекінг продуктів
піролізу, що призводить до помітного знижен-
ня обсягу піропалива.
Температура парогазової суміші, що утво-
рюється в зоні реакції, має складати близько
400 °С. При збільшенні її температури поси-
люється тенденція до вторинного крекінгу
продуктів піролізу, при зниженні – можлива
вторинна конденсація, що викликає збільшен-
ня обсягу води в продуктах піролізу. Велика
кількість води є небажаною, оскільки погіршує
якість отриманого піропалива.
Результати дослідження роботи установки
наведено в табл. 2. Найбільший досягнутий
вихід піропалива (без урахування води) ста-
новить 66,1 % (дослід CR10). Він відповідає
такій комбінації режимних параметрів: темпе-
ратура робочої поверхні реактора – 602 °С, час
існування парогазової суміші – 1,71 сек., тем-
пература парогазової суміші – 368 °С. Наймен-
ший вихід рідкого продукту (51,8%) відповідає
часу існування парогазової суміші > 6 секунд
(дослід CR06).
Рис. 2. Залежність відношення швидкість абляції/тиск
від температури робочої поверхні реактору [3].
Рис. 3. Схема абляції частинки біомаси у
пластинчатому реакторі [4]: 1 – парогазова
суміш; 2 – частинка біомаси; 3 – напрямок
тиску; 4 – обертова лопатка; 5 – напрямок
переміщення частинки біомаси (відносна
швидкість >1,2 м/с); 6 – гаряча поверхня
реактора; 7 – плівка смол; 8 – деревне вугілля.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №270
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Великий вихід води, 24,5 %, має місце
при дуже низький температурі парогазової
суміші – 278 °С (дослід CR13). При цьому
найбільша кількість води утворилася в досліді
CR06, хоча температура парів/газів в ньому
була найвищою – 415 °С. Це підтверджує тезу
про відсутність жорсткої залежності виходу
продуктів піролізу від якогось одного факто-
ра, й існування залежності від комплексного
співвідношення ключових режимних парамет-
рів. Задача дослідника – знайти оптимальне
співвідношення цих параметрів для роботи
власної установки.
Вихід продуктів абляційного піролізу в
залежності від умов процесу досліджувався
також в роботі [6] на експериментальній
установці з реактором вихрового типу. Под-
рібнена біомаса (солома, деревина) тангенці-
ально завантажується до реактора (2) (рис. 4).
Всередині реактора зі швидкістю 10000…
20000 об/хв. обертається ротор з трьома по-
вздовжніми ребрами, створюючи відцентрову
силу у 4900…17000g. Під дією цієї сили час-
тинки біомаси, рухаючись з великою швидкіс-
тю, вдаряються об гарячу стінку реактора.
Утворена парогазова суміш проходить че-
рез уловлювач вуглистої речовини (10), ци-
клон (13) і потрапляє до охолоджувача (11),
де її температура знижується до 55…65 °С
при проходженні через шар біонафти, отри-
маної раніше. Близько 40 % рідкого продук-
ту збирається з охолоджувача. Після цього пі-
ролізні пари додатково очищуються у тка-
Табл. 2. Результати дослідження роботи абляційного пластинчастого реактора [4, 5]
Параметри Номер досліду
CR13 CR25 CR07 CR11 CR06 CR10 CR27
Температура робочої поверхні реактора, °С 500 502 550 550 600 602 604
Температура парогазової суміші, °С 278 343 389 294 415 368 383
Час існування парогазової суміші, с 2,73 1,11 2,83 1,97 6,92 1,71 0,8
Вихід піропалива (без води), мас.% 56,6 62,1 58,1 55,7 51,8 66,1 56,8
Вихід води, мас.% 24,5 12,3 22,7 18,3 28,2 11,5 11,4
Вихід деревного вугілля, мас.% 12,2 13,0 14,3 13,8 14,8 15,7 16,9
Вихід газу, мас.% 12,9 11,2 9,0 8,2 10,4 6,2 11,4
Рис. 4. Експериментальна установка
з вихровим абляційним реактором [6]:
1 – завантажувальний бункер; 2 – реактор;
3 – тканинний фільт; 4 – пристрій для
підігріву піролізного газу; 5 – осушувач газу;
6 – вихід піролізного газу; 7 – газовий насос;
8 – вентиль; 9, 12 – вихід біонафти;
10 – уловлювач вуглистої речовини;
11 – охолоджувач парогазової суміші;
13 – циклон; 14 – нагрів реактора
електричним нагрівачем.
нинному фільтрі (3), з нижньої частини якого
збирають решту піропалива. Частина піро-
лізного газу підігрівається до 400 °С і знову
подається до реактору. Рециркуляція газу
здійснюється для контролю часу існування
парогазової суміші до моменту її охолодження.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 34, №2 71
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Досліди проводилися за таких умов: тем-
пература робочої поверхні реактора – 480…
620 °С, час існування парогазової суміші –
2…2,2 сек., температура парогазової суміші –
близько 400 °С. Отримано, що вихід піропа-
лива становить близько 51 % при піролізі со-
ломи, та 60,5 % – при піролізі деревини. Спо-
стерігалася слабка залежність виходу рідкого
продукту від температури процесу – ріст на
0,8 % та 0,7 %, відповідно, для соломи та де-
ревини при збільшенні температури на 100 °С.
Це може пояснюватися тим, що в дослідах
суттєво змінювався лише один параметр –
температура процесу, тоді як температура па-
рогазової суміші та час її існування залиша-
ються майже постійними.
Прикладом успішного практичного роз-
витку технології абляційного піролізу є компа-
нія Pytec (Німеччина). На пілотній установці
з пластинчатим реактором продуктивністю
250 кг/год по сировині (деревна тріска) було
досягнуто вихід піропалива 60 % маси сухої
сировини. Температура процесу становить
близько 650 °С, швидкість абляції – 3 мм/с.
Наразі споруджується демонстраційна уста-
новка продуктивністю 2 т/год по сировині, яка
буде працювати на відходах лісового госпо-
дарства [8].
Висновки
Абляційний піроліз біомаси протікає в
дуже тонкому шарі сировини при постійній
швидкості абляції. Для реалізації процесу
необхідно забезпечити високу щільність теп-
лового потоку та тиск в зоні реакції. Низько-
температурний абляційний піроліз дає мож-
ливість отримати високий вихід рідкого про-
дукту – до 70 % маси сухої сировини. Вихід
піропалива залежить від комплексу режимних
умов, вплив яких є складним і потребує по-
дальших досліджень. На сьогодні технології
абляційного піролізу мають добрі передумо-
ви для виходу на демонстраційний рівень роз-
витку.
ЛІТЕРАТУРА
1. Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Современ-
ные технологии получения жидкого топлива
из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Ч. 1. //
Пром. теплотехника. – 2005, Т. 27, № 4, С. 91-
100.
2. Желєзна Т.А., Гелетуха Г.Г., Дроздова О.І.
Дослідження технологій абляційного піролізу
біомаси // Пром. теплотехника – 2011, Т. 33,
№ 3, С. 51-57.
3. Lede J., Panagopoulos J., Li H.Z. and
Villermaux J. Fast pyrolysis of wood: direct
measurement and study of ablation rate. – Fuel,
1985, – Vol. 64, Issue 11. – Р. 1514-1520.
4. Peacocke G.V.C., Bridgwater A.V. Produc-
tion of liquids in high yields by ablative fast
pyrolisis. – Proc. of the 8th European Bioenergy
Conference. Vienna, – Austria, 3-5 October 1994,
Vol. 3. – P. 1749-1756.
5. Peacocke G.V.C., Dick C.M., Hague R.A.,
Cooke L.A. and Bridgwater A.V. Comparison of
abla-tive and fluid bed fast pyrolysis production:
yields and analyses. In the book Developments in
thermochemical biomass conversion. Edited by
Bridgwater A.V., – 1997. – P. 191-205.
6. Bech N., Jensen P.A., Dam-Johansen K.
Ablative flash pyrolysis of straw and wood: bench-
scale results. Proc. Of 15th European Biomass
Conference and Exhibition, – 2007, Berlin.
7. Bridgwater A.V., Peacocke G.V.C. Fast
pyrolysis for biomass // Renewable and sustainable
en-ergy reviews. – 2000, N 4, – P. 1-73.
8. Meier D., Scholl S., Klaubert H., Markgraf
J. Practical results from Pytec’s biomass-to-oil
(BTO) process with ablative pyrolyser and diesel
CHP plant. In the book Success & Visions for
Bioenergy. Edited by Bridgwater A.V., – 2007.
Получено 13.12.2011 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59079 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:16:43Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Желєзна, Т.А. Гелетуха, Г.Г. Зубенко, В.І. Дроздова, О.І. 2014-04-06T14:33:56Z 2014-04-06T14:33:56Z 2012 Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси / Т.А. Желєзна, Г.Г. Гелетуха, В.І. Зубенко, О.І. Дроздова // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 67-71. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59079 662.76 Рассмотрены режимные условия, необходимые для реализации низкотемпературного абляционного пиролиза биомассы. Проанализировано влияние основных режимных параметров на выход жидкого продукта быстрого пиролиза. Показано комплексную зависимость выхода пиротоплива от условий процесса. Розглянуто режимні умови, необхідні для реалізації низькотемпературного абляційного піролізу біомаси. Проаналізовано вплив основних режимних параметрів на вихід рідкого продукту швидкого піролізу. Показано комплексну залежність виходу піропалива від умов процесу. The paper considers conditions, which are required for the realization of low temperature ablative pyrolysis of biomass. Influence of the main parameters on yield of the liquid product is analysed. Complex dependence of the bio-oil yield on the process conditions is shown. uk Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Нетрадиционная энергетика Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси Analysis of conditions for low temperature ablative pyrolysis of biomass Article published earlier |
| spellingShingle | Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси Желєзна, Т.А. Гелетуха, Г.Г. Зубенко, В.І. Дроздова, О.І. Нетрадиционная энергетика |
| title | Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси |
| title_alt | Analysis of conditions for low temperature ablative pyrolysis of biomass |
| title_full | Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси |
| title_fullStr | Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси |
| title_full_unstemmed | Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси |
| title_short | Аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси |
| title_sort | аналіз режимних умов низькотемпературного абляційного піролізу біомаси |
| topic | Нетрадиционная энергетика |
| topic_facet | Нетрадиционная энергетика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59079 |
| work_keys_str_mv | AT želêznata analízrežimnihumovnizʹkotemperaturnogoablâcíinogopírolízubíomasi AT geletuhagg analízrežimnihumovnizʹkotemperaturnogoablâcíinogopírolízubíomasi AT zubenkoví analízrežimnihumovnizʹkotemperaturnogoablâcíinogopírolízubíomasi AT drozdovaoí analízrežimnihumovnizʹkotemperaturnogoablâcíinogopírolízubíomasi AT želêznata analysisofconditionsforlowtemperatureablativepyrolysisofbiomass AT geletuhagg analysisofconditionsforlowtemperatureablativepyrolysisofbiomass AT zubenkoví analysisofconditionsforlowtemperatureablativepyrolysisofbiomass AT drozdovaoí analysisofconditionsforlowtemperatureablativepyrolysisofbiomass |