БИОМАССА Как источник энергии

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

В процессе горения биомассы происходит ее разложение с последую­щим окислением продуктов распада.

По мере нагревания в камере сгорания или в другом устройстве био­масса разрушается: отделяются летучие вещества и остается углистое вещество с большим содержанием минеральных соединений. Летучие вещества содержат СО, С02, некоторое количество углеводородов и Н2. Конденсирующаяся часть летучих веществ содержит воду и низко­молекулярные органические соединения, такие, как альдегиды, кислоты, кетоны и спирты. В состав смоляной фракции входят высокомолеку­лярные сахара, производные фурана и фенольные соединения.

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

Рис. 2. Даииые термогравиметрии твердолиствеииой породы древесины тополя дельтовидного и его компонент.

1 ксиіцш ; 2-целлюлоза; 3-древесииа; 4 - измельченный древесный лигнин; > - кислый лигнин. 7-89

Т, "С

Доля образующихся летучих веществ и конденсирующегося остатка, а также их испаряемость определяются термогравиметрическим мето­дом, а изменения энтальпии (АН)-методом дифференциального терми­ческого анализа или сканирующей калориметрии (термический анализ). Данные термического анализа тополя и его компонент (рис. 2 и 3) сви-

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

Т, "С

Рис. 3. Данные дифференциального термического анализа твердолиствеииой по­роды тополя дельтовидного и его компонент.

1-ксилан; 2-целлюлоза; 3 древесина; 4-лигнин.

Детельствуют о том, что при пиролизе целлюлозы и гемицеллюлозы (углеводных компонент) образуются главным образом летучие вещества, а при пиролизе лигнина-углистое вещество.

Эти методы могут использоваться для измерения энергии, необходи­мой для осушки, перегонки, пиролиза и нагрева биомассы перед сжига­нием (теплота, затрачиваемая перед горением). Энергия, генерируемая в результате полного сжигания продуктов разложения, измеряется кало­риметрическим методом. Высвобождаемая энергия может быть также измерена в процессе пиролиза и горения как функция времени или тем­пературы. Теплота сгорания летучих веществ, образующихся при гази­фикации хвои дугласии, при различных температурах до и после отделе­ния экстрагируемых веществ представлена на рис. 4. Разность между теплотой сгорания исходного и полученных веществ позволяет оценить' энергию, затраченную на процесс пиролиза, и высвободившуюся энер­гию.

Теплота сгорания растительной биомассы различного типа и ее ком­понент приведена в табл. 2, а теплота сгорания продуктов пиролиза биомассы-в табл. 3.

Теплота сгорания различных видов топлив из биомассы находится в тесной взаимосвязи с требующимся для их сжигания количеством кис­лорода. Как видно из рис. 5, на каждый грамм кислорода высвобо­ждается 3,349 кал тепла. Таким образом, теплота сгорания определяется глубиной окисления топлива. Для топлив из биомассы одинакового ти­па теплота сгорания сырья и продуктов его пиролиза определяется со­держанием углерода. Чистая целлюлоза, состоящая целиком из соеди-

Доля массы образца, из которой, образовался Выделяемая

Лігоо

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

Т, °с

Горючий углерод, % теплота, кал/г

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

Рис. 4. Образование горючих летучих веществ из листвы лжетсуги тиссолист - ной и их теплота сгорания.

А-до отделения экстрагируемых веществ; □, ■ (б)-после отделения экстрагируемых веществ эфиром; ® WX после отделения всех экстрагируемых веществ.

Таблица 3. Теплота сгорания продуктов пиролиза

Источник

Тип

Углистое

Газообраз­

Всего,

Вещество,

Ные вещест­

Кал/г

Кал/г

Ва, кал/г

Целлюлоза

Фильтрующая

Бумага

-1050

-3093

-4143

Лигнин лжетсуги тиссолистной

Класон

-4375

-1995

-6370

Древесина тополя (Populus sp)

Древесная

Стружка

-1546

-3072

-4618

Древесина лиственницы (Larix

Occidentalis)

Ядровая дре­

Весина

-1914

-2736

-4650

Разрушенная лжетсуга тиссо-

Гнилая древеси­

Листная (Pseudotsuga menzeisii)

На

-2944

-2176

-5120

Сосна желтая (Pinus ponderosa)

Без хвои

-2438

-2708

-5146

Осина (Populus tremuloides)

Листва

-2398

-2636

-5034

Кора лжетсуги тиссолистной

Внешняя (мерт­

(Pseudotsuga menzeisii)

Вая)

-3061

-2061

-5122

Кора лжетсуги тиссолистной

(Pseudotsuga menzeisii)

Целиком

-3017

-2691

-5708

Рис. 5. Корреляция между опубликованными значениями теплоты сгорания и рассчитанными по количеству (3,349 ккал/г) поглощенного кислорода.

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

Экспериментальные значения теплоты сгорания, /скал/г

Нений типа Сахаров составі С6(Н20)5, имеет относительно низкую теплоту сгорания (АН25° = —4,143 кал/г), что объясняется высоким со­держанием кислорода. Однако 85% ее тепла высвобождается вместе с образующимися веществами при термическом расщеплении Сахаров.

Для лигнина, состоящего из конифериловых соединений (и некоторо­го количества соответствующих сирингиловых соединений в древесине твердых пород) и имеющего примерный состав С10НпО2, характерно меньшее содержание кислорода и, следовательно, более высокая тепло­та сгорания (ДН25° = — 6,371 кал/г). При пиролизе образуется углепо - добное вещество, поскольку лигнин не так легко подвержен расщепле­нию на соединения с низкой молекулярной массой. Образцы древесины, состоящей главным образом из лигнина и углеводов, характеризуются промежуточными теплотой сгорания и количеством образующихся при пиролизе летучих горючих веществ. Экстрагируемые эфиром вещества (терпеновые углеводороды и липиды) содержат еще меньше кислорода и поэтому имеют более высокую теплоту сгорания (АЯ25° = от — 7,700 до — 8,500 кал/г), что подтверждается данными, полученными для жел­той сосны и листвы осины, содержащих большое количество экстраги­руемых веществ.

Зависимость между теплотой сгорания различных топлив из био­массы и продуктов ее пиролиза (углистых и летучих веществ) от содер­жания в них углерода показана на рис. 6 и может быть описана с по­мощью выражения

АЯг1?р (кал/г) =94,19 (С%) + 55,01,

I

5j 7ООО k

Й; 6000 І

Sooo 4000

I 3000 §

25'

(2)

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

$ гооо


ЗО 40 SO 60 70

С, %

Рис. 6. Теплота сгорания при 400°С в зависимости от содержания углерода.

V-топливо, □-углистое вещество, О-летучие вещества.

Нто вполне допустимо, поскольку кислород расходуется главным обра­зом на окисление углерода.

ЮО

ZOO

300

400

Т, "С

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

100

Рис. 7. Скорость сгорания (а) и количество поглощенного кислорода (б) летучи­ми продуктами пиролиза.

1-свежая хвоя лжетсуги тиесолнстной; 2 старая хвоя лжетсуги тиссолистной; 3-старая хвоя желтой сосны.

400

Гоо - зоо т, °с

Данное уравнение можно использовать для определения теплоты сгорания топлив, получаемых в различных условиях. На рис. 7 показаны скорость и количество поглощенного кислорода при горении летучих экстрагируемых веществ и продуктов пиролиза различной листвы (хвои), определенные с помощью специального кислородного датчика.

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТИнициирование

Инициатор (I) Клетка - Н + 02

I

Теплота

Клетка* Ю'2 + HOj Клетка' + IH Клетка' + Ю2Н

Г + о2 ________________

Клетка — Н + Г Клетка - Н + IQj

Разветвление

Клетка' + 02.

Клетка 0'2 + Клетка-Н Образование продукте*

Клетка 02 Клетка 02Н + Клетка'

Клетка ОгН __________

Клетка ОгН __________

Клетка 0'2, Клетка О"

Клетка О", Клетка 02

Продукты

Продукты

Рис. 8. Термическое автоокисленне целлюлозы в воздухе.

При термическом разложении целлюлозы и гемицеллюлозы проис­ходят сложные реакции с образованием промежуточных продуктов. Эти реакции могут протекать как параллельно, так и последовательно, и их можно классифициронать следующим образом:

— при температурах ниже 300°С пиролиз целлюлозы в воздухе или инертной среде сопровождается такими процессами, как образование свободных радикалов, удаление воды, деполимеризация, образование соединений с карбонильной и карбоксильной группами, СО и С02, в результате чего получается главным образом обуглероженный оста­ток (рис. 8);

— при температурах 300-450°С гликозидная связь полисахаридов разрушается с образованием одной свободной гидроксильной группы (трансгликосилирование) в смеси левоглюкозанов и других про­изводных глюкозы и олигосахаридов (рис. 9 и табл. 4). Эту смесь обыч­но называют смолистой фракцией;

- при температуре 300-450°С или при более высокой температуре в результате дегидратации, перегруппировки и расщепления Сахаров образуются различные карбонильные соединения, такие, как уксусный альдегид, глиоксаль и акролеин, которые легко испаряются;

- в результате конденсации ненасыщенных продуктов и отщепления

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

Сн„он

НО'

НО

Снрн

СН. ОН

Он

•в

8 І-

А §

.О-Х^"—°\

НоЛ^А-о-У^Д

Целлюлоза ^ ' 1

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

СЛ0Н " CHg—о ^снрн,

ОН Jh V

9нг~Я

1.4 - ангидриды 1,6-ангидриды 1,В~ангидриды

1

\ Iпиранозы)

С Н,

НО,

ПИРОЛИЗ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ БИОМАССЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТ

ОН

/, 6-ангидриды (сруринозы)

1,4-. 3,6- диангидриды

Рис. 9. Пиролиз целлюлозы в производные глюкозы (ангидриды), олигосаха - ряды и продукты разложения, содержащиеся в смоле.

Таблица 4. Продукты пиролиза целлюлозы при температуре 300°С в атмосфере азота

Экспериментальные условия, выход в %

Продукт

Атмосферное давление

1,5 мм рт. ст.

1,5 мм рт. ст, % SbClj

Углистое вещество

34,2

17,8

25,8

Смола

19,1

55,8

32,5

Левоглюкозан

3,57

28,1

6,68

1,6-ангидро-р-0-глюкофураноза

0,38

5,6

0,91

D-глюкоза

Следы

Следы

2,68

Гидролизующиеся материалы

6,08

20,9

11,8

Боковых цепей по свободнорадикальному механизму образуются высо - кореакционноспособные углеродсодержащие остатки, представляющие свободные радикалы.

При нагревании целлюлозных материалов до 500°С и выше обра­зуется смесь этих продуктов (табл. 5).

При высоких температурах и малых размерах частиц сырья в основ­ном идет процесс газификации, а при низких температурах и больших размерах частиц, а также при наличии в сырье влаги и неорганических веществ-образование углистого вещества, воды и С02.

Таблица 5. Продукты пиролиза целлюлозы при 550°С

Экспериментальные условия, выход в масс. %

Продукт

Без добавок

+ 5% Н3РО«

+ 5% (NH4)2HP04

+ 5% ZnClj

Ацет альдегид

1,5

0,9

0,4

1,0

Фуран

0,7

0,7

0,5

3,2

Пропенал

0,8

0,4

Од

Следы

Метаиол

1,1

0,7

0,9

0,5

2-метилфуран

Следы

0,5

0,5

2,1

2,3-бутандион

2,0

2,0

1,6

1,2

1 - гидрокси-2-пропанон

Глиоксаль

2,8

0,2

Следы

0,4

Уксусная кислота

1,0

1,0

0,9

0,8

2-фуральдегид

1,3

1,3

1,3

2,1

5-метил-2-фуральдегид

0,5

1,1

1,0

0,3

Диоксид углерода

6

5

6

3

Вода

11

21

26

23

Углистое вещество

5

24

35

31

Смола

66

16

7

31

БИОМАССА Как источник энергии

Система единиц

Для составления массового баланса может быть использована любая система единиц. Рекомендуется производить расчеты в международной системе единиц (СИ). Однако расчеты или по крайней мере его резуль­таты должны быть представлены в единицах, которые обычно исполь­зуются промышленностью (табл. 1 и 2). Технические и экономические аспекты 341 Таблица 1. Основные и производные единицы системы СИ [4] Величина Единица СИ Другие Единицы Наименование Наименование усл.

Система непрерывной ферментации

Для непрерывной ферментации может быть использован бродильный аппарат того же типа, что и для периодического процесса, но несколько модифицированный [36, 38, 39]. В этом случае сахар и питательная сре­да непрерывно добавляются в реактор при выходящих продуктах, со­держащих этанол и клеточный материал, который непрерывно обра­батывается для отделения клеток и извлечения основного продукта.

Стоимость с учетом будущих доходов

Правильное соотношение между капиталовложениями и эксплуата­ционными расходами можно определить, исследуя финансирование бу­дущего потока во времени. Для этого существуют различные методы, Таблица 1. Стандартная карта расходов Капиталовложения Доллары Заводские сооружения Оборудование Земельный участок Организационные и пусковые расходы Потребности в оборотных средствах Катализаторы и химические реагенты, применяемые в на­чальной стадии Ссудный процент в ходе сооружения Итого Годовые эксплуатационные расходы Биомасса Прочее сырье Материалы для технического обслуживания Вода Катализаторы и химические реагенты Оплата труда Эксплуатационнико в Арендатора Работников технического обслуживания Управленческих работников и работников материально - Доллары технического снабжения Закупаемая электроэнергия Общие управленческие расходы Поимущественный налог и страхование Итого Примечание.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.