The study of kinetic characteristics of solid biomass
The article is devoted to the issue of improving the environmental performance of TPP of Ukraine by introducing them to pulverized coal and solid biomass co-firing technology. The samples of wood and wheat straw, corn, rape and soybeans were investigated by means of thermogravimetry. Determined indi...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2016
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/87 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Institution
System Research in Energy| _version_ | 1871103168888176640 |
|---|---|
| author | Schudlo T.S. Dunaevskaya N.I. |
| author_facet | Schudlo T.S. Dunaevskaya N.I. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Schudlo T.S.",
"institution": null
},
{
"author": "Dunaevskaya N.I.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Schudlo T.S. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:31Z |
| description | The article is devoted to the issue of improving the environmental performance of TPP of Ukraine by introducing them to pulverized coal and solid biomass co-firing technology. The samples of wood and wheat straw, corn, rape and soybeans were investigated by means of thermogravimetry. Determined individual stage of solid biomass thermal conversion and obtained kinetic constants for dehydration and devolatilization stages. The data and its comparison with the research of other authors point to possible significant differences in the characteristics of the solid biomass of individual species and different samples of the same species. |
| doi_str_mv | 10.15407/pge2016.01.018 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:00:52Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.311.22 Т.С. ЩУДЛО, Н.І. ДУНАЄВСЬКА, канд. техн. наук, ст. наук. співр.
Інститут вугільних енерготехнологій НАН України,
вул. Андріївська, 19, м. Київ, 04070, Україна
ДОСЛІДЖЕННЯ КІНЕТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗРАЗКІВ ТВЕРДОЇ БІОМАСИ
Наведено результати термогравіметричних досліджень зразків деревини, що спалюва-
лись спільно з вугіллям марки антрацит на експериментальному стенді Інституту, а
також зразків соломи, кукурудзи, ріпаку та сої. Визначено окремі стадії термічного
перетворення зразків твердої біомаси та отримані їх кінетичні характеристики.
Виконано порівняння отриманих результатів з дослідженнями інших авторів.
К л ю ч о в і с л о в а: тверда біомаса, спільне спалювання, тга, кінетика горіння.
Протягом останніх десятиліть увага світової
спільноти привернена до питань екології.
Виконання рішень екологічних конвенцій
істотно обмежує використання викопних
палив і стимулює попит на альтернативні
поновлювані палива, за рахунок яких світова
енергетика задовольняє близько 13% своїх
потреб у первинній енергії, з яких на тверду
біомасу припадає близько 10% [1]. Тоді як в
Україні, що має щорічний потенціал біомаси
29,27 млн т у. п., остання в структурі викори-
стання первинних енергоресурсів становить
лише 1,2 % [2]. На думку авторів статті, пер-
спективною для України технологією енерге-
тичного використання біомаси є її спалювання
з вугіллям в існуючих факельних котлоагрега-
тах. До переваг технології можна віднести низь-
кі капітальні витрати при впровадженні за
рахунок використання вже існуючого котель-
ного обладнання в порівнянні з будівництвом
нових котлоагрегатів, диверсифікація палива
ТЕС, можливість утилізувати значну кількість
біомаси, а також частково замістити викопне
вугілля СО2-нейтральним паливом.
Найбільшого поширення спільне спалюван-
ня біомаси з вугіллям (ССБВ) набуло саме у
факельних котлоагрегатах. Це пояснюється
високою ефективністю спалювання внаслідок
максимальної теплонапруженості топкового
об’єму пиловугільних котлоагрегатів, а також їх
поширеністю у світі. Сьогодні 93 котли спільно
спалюють тверду біомасу з вугіллям у факелі [3].
Актуальність впровадження технології в Україні
підкріплюється також кількістю наявної для
енергетичного використання твердої біомаси, в
першу чергу, відходів деревообробної та сіль-
ськогосподарської промисловості [4].
В останні роки в Інституті вугільних енерго-
технологій Національної академії наук України
проводяться дослідження спільного факельно-
го спалювання біомаси та вугілля українських
родовищ [5]. Основна увага приділяється мож-
ливості впровадження технології на існуючих
антрацитових блоках, оскільки передбачається,
що додавання високореакційної біомаси дозво-
лить компенсувати низький вихід летких в ант-
рациті і тим самим поліпшити його займистість
і повноту вигорання у випадках поставок
непроектного вугілля або незадовільного стану
котлоагрегату. В експериментах спалювалась
деревина (сосна), як одна з найбільш пошире-
них і доступних в Україні. При проведенні
досліджень було встановлено оптимальну част-
ку заміщення вугілля деревиною, а також спо-
стерігався синергічний ефект: при зміні підтри-
муючого допоміжного палива з природного
газу на деревину, необхідна кількість теплоти
для підтримування стабільного горіння антра-
циту в умовах експериментального стенда
зменшувалась.
© Т.С. ЩУДЛО, Н.І. ДУНАЄВСЬКА, 2016
18 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
19
Дослідження кінетичних характеристик зразків твердої біомаси
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
Для визначення можливості використання
інших різновидів твердої біомаси, доступних в
Україні для технології спільного спалювання, у
співпраці з Уральським федеральним універси-
тетом (м. Єкатеринбург, Росія) та Інститутом
хімії високомолекулярних сполук НАН
України (м. Київ) були проведені термограві-
метричні дослідження зразків пелет соломи
пшениці, ріпаку, кукурудзи та сої, а також, для
порівняння, зразки деревини (тирси), що вико-
ристовувались у попередніх дослідженнях.
Дослідження зразків пелет проводилось на
дериватографі системи Паулік−Паулік−Ердєї
Q-1000 в атмосфері повітря зі швидкістю нагрі-
вання 20°С/хв. в інтервалі температур Ткімн –
1000°С. Маса дослідних зразків становила
100 мг. Зразки деревини досліджувались на
інтегрованому комплексі синхронного терміч-
ного аналізу STA 449 фірми NETZSCH в атмо-
сфері повітря зі швидкістю нагрівання 5°С/хв. в
інтервалі температур Ткімн – 700°С. Результати
технічного аналізу вказаних зразків та, для
порівняння, вугілля марки антрацит, наведено
у табл. 1.
Первинні експериментальні дані отримува-
лись у вигляді електронних таблиць, а також у
графічному вигляді, приклад якого для зразка
пелети ріпаку зображено на рис.1.
Таблиця 1 – Технічний аналіз досліджуваних зразків твердих палив та антрациту
Рис. 1. Деріватограми зразка пелети ріпаку
Дані включають в себе криві зміни маси,
температури, швидкості зміни маси, швидкості
зміни температури в часі протягом експери-
менту. Також на рис.1 схематично виділені ста-
дії термічного перетворення зразків, що дослід-
жувались. Умовно їх можна поділити на стадії
виділення вологи (зневоднення), утворення і
виходу летких речовин та горіння коксозольно-
го залишку. Для визначення температурних
меж кожної стадії термічного розкладу зразків
палив визначались початкова температура Т0,
де вага зразка становить 0,975 від початкової,
максимальна температура стадії Тmax, за якої
друга похідна від зміни ваги у часі дорівнює
нулю та кінцева температура стадії, де перша
похідна від зміни ваги має мінімальне значен-
ня, а друга дорівнює нулю.
Розглядалось таке кінетичне рівняння кож-
ної стадії термічного розкладу [6]:
(1)
де α – ступінь конверсії дослідного зразка −
показує, яка частка дослідного зразка прореа-
гувала до моменту часу τ; k – константа швид-
кості реакції; f(α) – функція, що характеризує
модель реакції. Ступінь конверсії в момент часу
τ визначається з деріватограми за формулою
де m0 – початкова маса зразка; m∞ – кінцева маса
стадії термічного розкладу; mτ – поточна маса
зразка. Для представлення константи швидкості
реакції використовувалась формула Арреніуса:
(2)
де k0 – передекспоненційний множник; E –
енергія активації, Дж/моль; R – універсальна
газова стала, 8,314 Дж/моль⋅К; Т – температу-
ра, К.
Комбінуючи рівняння (1) і (2), отримуємо
таку форму рівняння (1):
(3)
Для спрощення розрахунків було прийнято
поширене у термогравіметричних досліджен-
нях припущення, що наявні реакції термічного
розкладу мають перший порядок. Тоді функція
f(α) = (1 – α) і, в результаті, з (3) отримаємо
відоме диференціальне кінетичне рівняння :
(4)
Рівняння (4) являє собою лінійну залежність ви-
від зворотної температури
вигляду y = k⋅x + b, де
За наведеною вище методикою були оброб-
лені первинні дані деріватограм. В табл.2 наве-
дено діапазони температур окремих стадій тер-
мічного розкладу досліджуваних зразків біома-
си, а також розподіл початкової маси зразків
палив за стадіями термічного перетворення.
Аналізуючи температурні рівні та їх екстре-
муми у визначених стадіях термічного розкладу,
звертає на себе увагу близькість цих значень для
усіх досліджуваних видів біомаси. Однак, серед
інших можна виділити зразки тирси сосни, які
за рахунок більшого виходу летких речовин
мають майже на 20% більшу масову частку від-
повідної термічної стадії і меншу масу коксово-
го залишку. Крім того, діапазони температур
стадії зневоднення зразків тирси коротші на
34−78°С порівняно з іншими зразками.
Результати розрахунку передекспоненцій-
ного множника (k0) та енергії активації (E) для
стадій зневоднення та виходу летких досліджу-
ваних зразків палив, а також аналогічні дані
досліджень з літературних джерел наведено у
табл. 3. На рис. 2,а−в зображено графічну
залежність швидкості виходу летких від зворот-
ної температури відповідно до рівняння (4) для
досліджуваних зразків твердої біомаси та порів-
няння з іншими аналогічними дослідженнями
для зразків тирси сосни та соломи пшениці.
З рис. 2,а бачимо суттєву відмінність у
швидкості виходу летких з деревини порівняно
з іншими досліджуваними зразками пелет
соломи, що можна пояснити відмінностями у
природі виростання названих вище культур,
дещо різною швидкістю нагрівання під час
дослідження, а також різним ступенем їх попе-
редньої обробки. Порівнюючи отримані у
дослідженні результати для зразків тирси сосни
та пелет соломи пшениці з отриманими у робо-
тах інших (закордонних та вітчизняних) авторів
20 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
Т.С. ЩУДЛО, Н.І. ДУНАЄВСЬКА
разу
21ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
Дослідження кінетичних характеристик зразків твердої біомаси
Таблиця 2 – Діапазони температур та розподіл маси окремих стадій термічного
розкладання зразків біомаси
* – враховується лише горюча маса коксового залишку без врахування золи.
н/в – не визначено.
Таблиця 3 – Результати розрахунку передекспоненційного множника (k0) та енергії активації
(E) для стадій зневоднення та виходу летких досліджуваних зразків палив
[7−11] (рис. 2,а,б), спостерігаємо переважно
відмінність у швидкості виходу летких, що
пояснюється відмінністю органічної та міне-
ральної складової зразків за рахунок різних
умов вирощування та зберігання, різницею у
підходах для розрахунку констант реакції, роз-
біжністю у швидкості нагрівання зразків під
час експерименту.
22 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
Т.С. ЩУДЛО, Н.І. ДУНАЄВСЬКА
Рис. 2. Порівняння залежностей швидкості виходу летких речовин від оберненої температури:
а − досліджуваних зразків пелет та тирси сосни;
б − зразків тирси сосни досліджуваних та з літературних джерел;
в − зразків досліджуваних пелет соломи пшениці та соломи пшениці з літературних джерел;
де ТС1 та ТС2 – тирса сосни відповідно 1 та 2, ПСП – пелета соломи пшениці, ПСР – пелета соломи
ріпаку, ПСК – пелета соломи кукурудзи, ПСС – пелета соломи сої, ТС[7] – тирса сосни [7], C[8] – зра-
зок сосни [8]; ТС[9] – тирса сосни [9], СП[10] – солома пшениці [10]
Необхідно відзначити, що досліджувались
зразки тирси сосни, отримані в різний час.
Другий зразок, що досліджувався у перших екс-
периментах, на кілька років старіший за пер-
ший зразок. Тому відмінність кінетичних кон-
стант для виходу летких можна пояснити біль-
шим окисненням другого зразка тирси.
Наведені вище дані вказують на суттєві від-
мінності у характеристиках твердої біомаси як
окремих видів, так і різних зразків одного виду.
Тому, на відміну від вугілля, в кожному окре-
мому випадку впровадження необхідно мати
кінетичні характеристики біомаси, яку плану-
ється спалювати.
ВИСНОВКИ
1. Наявні в Україні різновиди твердої біо-
маси можуть використовуватись для впровад-
ження технології спільного спалювання її з
вугіллям на ТЕС. Таке впровадження потребує
проведення нових досліджень кінетичних
характеристик біомаси, що планується до
застосування.
2. За допомогою методу термогравіметрії
(ТГА) досліджено зразки вітчизняної твердої
біомаси: пелети соломи пшениці, ріпаку, куку-
рудзи, сої, а також соснової тирси та отримані
за спрощеною методикою дані кінетичних
характеристик окремих стадій термічного пере-
творення зразків біомаси.
3. Досліджені характеристики горіння біо-
маси в подальшому будуть використані для роз-
рахунків окремих процесів спільного спалю-
вання для її впровадження на ТЕС України.
1. Renewables Information IEA 2014
[Electronic resource]: IEA statistics. Mode of
access: WWW.URL: http://www.cne.es/cgi-
in/BRSCGI.exe?CMD=VEROBJ&MLKOB=
820858630202.
2. Гелетуха Георгий, Железная Татьяна.
Состояние и перспективы развития био-
энергетических технологий в Украине //
Экология предприятия. – 2014. – №4.–
C.32−41.
3. Database of Biomass Cofiring initiatives
[Electronic resource]: IEA Bioenergy Task 32.
Mode of access: WWW.URL:
http://www.ieabcc.nl
4. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А., Олейник
Е.Н. Перспективы производства тепловой
энергии из биомассы в Украине // Пром.
Теплотехника. – 2013. – Т.35, №5. –
С.48−57.
5. Засядько Я.И., Щудло Т.С, Бесценный
И.В, Бондзик Д.Л., Дунаевская Н.И.
Экспериментальное исследование процесса
совместного факельного сжигания антраци-
та с древесной биомассой //
Энерготехнологии и ресурсосбережение. –
2009. – №3. – С.10−17.
6. Guo J. Kinetic Study on Pyrolytic Process
of Oil-Palm Solid Waste Using Two- Step
Consecutive Reaction Model / J. Guo, A. C.
Lua // J. Biomass and Bioenergy. – 2001. – Vol.
20. – P. 223−233.
7. M.V. Gil, D. Casal, C. Pevida, J.J. Pis, F.
Rubiera. Thermal behaviour and kinetics of
coal/biomass blends during co-combustion //
Bioresource Technology. – July 2010. –Volume
101, Issue 14. – P.5601–5608.
8. Sema Yurdakul Yorulmaz, Aysel T.
Atimtay. Investigation of combustion kinetics of
treated and untreated waste wood samples with
thermogravimetric analysis // Fuel Processing
Technology. – 90 (2009). – P. 939–946
9. Мирошник М. М. Кінетика термічної
деструкції окремих видів біомаси як альтер-
нативного палива: Автореф. дис. ... канд.
техн. наук: 05.14. 06 / НУХТ. – К., 2013. –
26 с.
10. Yu Zhaosheng, Ma Xiaoqian, Liu Ao.
Kinetic studies on catalytic combustion of rice
and wheat straw under air- and oxygen-enriched
atmospheres, by using thermogravimetric analy-
sis // BIOMASS AND BIOENERGY. – 32
(2008). – P.1046–1055.
11. Maria Inez G. de Miranda, Clara I. D.
Bica*, Sonia M. B. Nachtigall, N. Rehman,
Simone M. L. Rosa. Thermal decomposition of
soybean hull cellulose: a kinetic study
[Electronic resource] // 12° Congresso
Brasileiro de Polimeros (12°CBPol), September
22−26, 2013: Proceedings. – Mode of access:
WWW.URL: https://www.lume.ufrgs.br/bit-
stream/handle/10183/81824/000901361.pdf?se
quence=1.
Надійшла до редколегії 13.01.2016
23ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
Дослідження кінетичних характеристик зразків твердої біомаси
|
| id | systemreorg-article-87 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:03:55Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/37/538604d627ea3134d49f2f3f0918ac37.pdf |
| spelling | systemreorg-article-872026-07-18T12:57:31Z The study of kinetic characteristics of solid biomass Дослідження кінетичних характеристик зразків твердої біомаси Schudlo T.S. Dunaevskaya N.I. solid biomass, co-firing, tga, combustion kinetics. тверда біомаса, спільне спалювання, тга, кінетика горіння. The article is devoted to the issue of improving the environmental performance of TPP of Ukraine by introducing them to pulverized coal and solid biomass co-firing technology. The samples of wood and wheat straw, corn, rape and soybeans were investigated by means of thermogravimetry. Determined individual stage of solid biomass thermal conversion and obtained kinetic constants for dehydration and devolatilization stages. The data and its comparison with the research of other authors point to possible significant differences in the characteristics of the solid biomass of individual species and different samples of the same species. Стаття присвячена питанню поліпшення екологічності роботи ТЕС України шляхом впровадження на них технології спільного факельного спалювання вугілля з твердою біомасою. За допомогою методу термогравіметрії, досліджено зразки деревини та соломи пшениці, кукурудзи, ріпаку і сої. Визначено окремі стадії термічного перетворення зразків твердої біомаси та отримані кінетичні константи для стадій зневоднення та виходу летких. Отримані дані та їх порівняння з дослідженнями інших авторів вказують на можливі суттєві відмінності у характеристиках твердої біомаси як окремих видів, так і різних зразків одного виду. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2016-04-13 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/87 10.15407/pge2016.01.018 System Research in Energy; No. 1 (44) (2016): The problems of general energy; 18-23 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (44) (2016): Проблеми загальної енергетики; 18-23 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/87/66 Copyright (c) 2016 Schudlo T.S., Dunaevskaya N.I. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | solid biomass co-firing tga combustion kinetics. Schudlo T.S. Dunaevskaya N.I. The study of kinetic characteristics of solid biomass |
| title | The study of kinetic characteristics of solid biomass |
| title_alt | Дослідження кінетичних характеристик зразків твердої біомаси |
| title_full | The study of kinetic characteristics of solid biomass |
| title_fullStr | The study of kinetic characteristics of solid biomass |
| title_full_unstemmed | The study of kinetic characteristics of solid biomass |
| title_short | The study of kinetic characteristics of solid biomass |
| title_sort | study of kinetic characteristics of solid biomass |
| topic | solid biomass co-firing tga combustion kinetics. |
| topic_facet | solid biomass co-firing tga combustion kinetics. тверда біомаса спільне спалювання тга кінетика горіння. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/87 |
| work_keys_str_mv | AT schudlots thestudyofkineticcharacteristicsofsolidbiomass AT dunaevskayani thestudyofkineticcharacteristicsofsolidbiomass AT schudlots doslídžennâkínetičnihharakteristikzrazkívtverdoíbíomasi AT dunaevskayani doslídžennâkínetičnihharakteristikzrazkívtverdoíbíomasi AT schudlots studyofkineticcharacteristicsofsolidbiomass AT dunaevskayani studyofkineticcharacteristicsofsolidbiomass |