Обоснование условий реализации автотермического пиролиза органической биомассы применительно к теплотехнологическому оборудованию

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 4
ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
БИОМАССЫ …………………………………………………………………………………………………… 21
1.1 Проблемы сжигания биомассы традиционными методами ……………………. 22
1.2. Обзор технологий переработки биомассы в энергетически ценные продукты
…………………………………………………………………………………………………………………….. 26
1.3 Пиролиз в связи с путями его возможного применения в
энерготехнологических процессах ………………………………………………………………… 32
1.4 Тепловые эффекты при термическом разложении ……………………………………. 42
1.5 Реализация пиролиза в промышленных технологических установках ………. 52
1.6 Постановка задач исследований ………………………………………………………………. 63
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ . 65
2.1 Исследуемая биомасса и ее характеристики …………………………………………….. 65
2.2 Лабораторная база для термической переработки ……………………………………. 69
2.3 Определение теплофизических характеристик исследуемых веществ ………. 76
2.4 Составление теплового баланса термической переработки ………………………. 80
2.5 Дифференциальный термический анализ…………………………………………………. 81
2.6 Оценка погрешности измерений ……………………………………………………………… 82
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ПЕРЕРАБОТКИ ………………………………………………………………………………………………. 84
3.1 Материальный баланс термической переработки …………………………………….. 84
3.2 Теплотехнические характеристики продуктов термической переработки …. 93
3.3 Теплофизические характеристики исследуемых веществ …………………………. 94
3.4 Тепловой баланс термической переработки …………………………………………….. 96
3.5 Анализ результатов …………………………………………………………………………………. 97
ГЛАВА 4. ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ………… 113
4.1 Результаты экспериментального определения тепловых эффектов
разложения сырья ……………………………………………………………………………………….. 113
4.2 Оценка тепловых эффектов методом дифференциального термического
анализа ……………………………………………………………………………………………………….. 116
4.3 Анализ результатов ……………………………………………………………………………….. 119
ГЛАВА 5. ПАРАМЕТРЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ В
АВТОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ………………………………………………………………… 122
5.1 Тепловые затраты на осуществление процесса и величина суммарного
теплового эффекта термической переработки ……………………………………………… 122
5.2 Влияние исходных характеристик сырья на величину суммарного теплового
эффекта термической переработки ……………………………………………………………… 127
5.3 Анализ результатов ……………………………………………………………………………….. 129
5.4 Оценка экономической эффективности реализации пиролиза биомассы в
автотермическом режиме ……………………………………………………………………………. 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 134
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………………….. 137
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Определение погрешности измерений …………………………… 164
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Документы об использовании результатов работы …………. 173
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Расчет экономической эффективности реализации
технологии пиролиза биомассы в автотермическом режиме ………………………… 176

В работе рассмотрены вопросы пиролитической переработки нескольких
видов биомассы, обладающих различным компонентным составом
(некондиционные пшеничные отруби, солома злаковых культур, скорлупа
кедрового ореха, сосновые опилки, отходы животноводства, суховской торф), с
целью повышения конкурентоспособности ее использования и снижения
экономических затрат по сравнению с традиционными технологиями получения
энергии.
На основании аналитического обзора охарактеризовано состояние области
исследований, сформулирована цель и поставлены задачи настоящей работы. Для
проведения физических экспериментов создан ряд установок, а для проведения
тепловых расчетов пиролиза обоснована методика, позволяющая оценить
возможность автотермической переработки биомассы.
В ходе экспериментов получены закономерности выхода продуктов
пиролиза различных видов биомассы в зависимости от температуры процесса, а
также определены их теплотехнические и теплофизические характеристики и
элементный состав. На основании этих характеристик составлены тепловые
балансы разложения сырья, результаты которых показывают, что в условиях
экспериментов процесс сопровождается положительной теплотой разложения
органической части сырья. Построена зависимость удельной теплоемкости
биомассы от состава сырья (соотношения H/C), значения теплоемкости
углеродистых остатков после термической переработки при различной
температуре отражают интервалы основного разложения органической части
биомассы.
Экспериментально установлен экзотермический характер разложения
биомассы во время ее пиролитической переработки, данный факт подтвержден с
помощью дифференциального термического анализа. На основании оценки
величины тепловых эффектов построена зависимость тепловыделения,
наблюдаемого в ходе разложения сырья, от молярного соотношения углерода и
водорода в его составе. Проведен расчет тепловых затрат пиролиза всех видов
исследуемой биомассы и определены характеристики сырья, при которых их
пиролитическая переработка может быть организована в автотермическом режиме.
Сформулированы нижеследующие выводы.
1. Сформирована база теплотехнических характеристик (зольность,
влажность, выход летучих веществ, теплота сгорания, элементный состав) видов
биомассы, распространенной в Томской области и близрасположенных районах.
Образцы биомассы характеризуются низким содержанием серы (<0,25%) в своем составе. Основная часть исследуемой биомассы (за исключением торфа) имеет относительно высокую теплоту сгорания (16,6-18,1 МДж/кг), торф ввиду высокой зольности (22,8%) обладает низким значением теплоты сгорания (11,8 МДж/кг). 2. Обоснована методика и экспериментальная база для исследования пиролитической переработки биомассы, позволяющая изучать: материальные и тепловые балансы; динамику выхода получаемых продуктов и их характеристики; тепловые эффекты, наблюдаемые в процессе термического разложения. 3. Экспериментально установлены температурные интервалы экзотермических реакций (150-500°C), в которых скорость нагрева сырья превышает скорость нагрева реактора. Для нескольких видов биомассы (солома, скорлупа ореха) данный эффект приводит к возрастанию температуры сырья до значений выше температуры нагрева установки или равных ей (опилки, отходы животноводства). 4. Экспериментально установлено, что при увеличении температуры получения углеродистого остатка при переработке соломы и отрубей с 300 до 400°C происходит резкое снижение его удельной теплоемкости, что связано с разложением органических соединений в составе биомассы. Теплоемкость углеродистых остатков из торфа постепенно снижается с увеличением температуры их получения. Данный факт свидетельствует о том, что основной вклад в величину теплоемкости вносит минеральная составляющая сырья. 5. Разработана универсальная методика, позволяющая оценить возможность осуществления пиролиза различных видов биомассы за счет собственного тепловыделения в процессе разложения. С ее использованием построена тройная диаграмма, отражающая область теплотехнических характеристик биомассы (влажность, зольность, молярное соотношение H/C), при которых возможна ее пиролитическая переработка в автотермическом режиме. 6. Проведена оценка экономической эффективности осуществления пиролиза биомассы в автотермическом режиме, на основании которой установлено, что данный способ обеспечения тепловых затрат процесса является наиболее экономичным среди рассмотренных. Экономические затраты на осуществление пиролитической переработки за счет собственного тепловыделения меньше по сравнению с затратами на проведение процесса существующими способами: за счет сжигания побочного продукта (пиролизного газа) – в 1,1 раз; за счет сжигания части перерабатываемого сырья – в 2,8 раз; за счет подвода электричества – в 20 раз.

1.Тарифы на электроэнергию для малых предприятий и ИП в 2020-2021
годах [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://time2save.ru/articles/tarify-na-
elektroenergiyu-dlya-melkih-predpriyatiy-v-2018.
2.Энергетическийбюллетень.Энергоснабжениеизолированных
территорий / Под ред. Леонида Григорьева. Август 2017. – 27 с.
3.Котлы на биомассе компании «ПиролизМастер» [Электронный
ресурс]. Режим доступа: https://pirolizmaster.ru/.
4.Котлы на биомассе компании «Гейзер» [Электронный ресурс]. Режим
доступа: https://geyser.ru/.
5.Компания «HERZ Armaturen» [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://www.herz-armaturen.ru/.
6.Котлы бытовые «Volyn Kalvis» [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://www.volyn-kalvis.com.ua/ru/.
7.Официальный сайт компании Viessmann. КПД газовых котлов
[Электронныйресурс].Режимдоступа:
https://www.viessmann.ru/ru/pressa/ezednevnaa-pressapublicnye-izdania/Presse-
160901.html#.
8.Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). – СПб, 1998. – 256 с.
9.Приказ ДТР ТО № 1-417/9(659) от 18.12.2019 г.