Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза отходов деревообработки

УДК 662.754

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКОГО ПРОДУКТА БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБОТКИ

А.Н. ГРАЧЕВ, Р.Г САФИН, М.А ТАЙМАРОВ, К.Х. ГИЛЬФАНОВ,

Д.В. ТУНЦЕВ

Казанский государственный технологический университет

Определены химический состав, показатели активности ионов водорода (рН), коэффициент кинематической вязкости, давление смеси паров в состоянии равновесия жидких продуктов быстрого пиролиза биомассы сосновой щепы.

Ключевые слова: жидкое биотопливо, физико-химические свойства, отходы деревообработки.

В настоящее время во всем мире большое внимание уделяется возобновляемым источникам энергии. Одним из таких источников энергии является биотопливо, полученное с помощью технологии быстрого пиролиза биомассы древесины.

Быстрый пиролиз представляет собой процесс, при котором сухие, менее 10% влажности, древесные отходы быстро нагреваются до температуры 400-500°С в отсутствии окислителя с образованием частиц древесного угля и парогазовой смеси. Эта смесь подвергается процессу конденсации, в результате чего образуется жидкость - жидкое биотопливо и неконденсируемый газ. Причем выход жидких продуктов при быстром пиролизе может составлять до 73% от массы исходного сырья [1].

Жидкое биотопливо вызывает большой интерес вследствие его высокой энергетической плотности. Для оценки возможности энергетического использования жидкого биотоплива были проведены исследования по определению его физико-химических свойств.

В ходе исследовательских работ была разработана экспериментальная установка быстрого пиролиза биомассы древесины [2], на которой была получена опытная партия жидкого биотоплива из сосновой щепы.

Анализ химического состава жидких продуктов пиролиза биомассы древесины проводился на хромато-масс-спектрометре "Turbo Mass Gold" фирмы "Perkin Elmer.

В результате анализа было идентифицировано более 50 веществ. Получены данные по процентному химическому составу по массе: органические кислоты -14,15%; сложные эфиры - 1,85%; спирты - 3,75%; кетоны - 5,2%; альдегиды -10,3%; фенолы - 7,7%; гваяколы - 8,65%; сиринголы - 5,15%; сахара - 9,4%; фураны - 6,3%; алкены - 0,7%, вода - 21% [3].

Содержание воды в составе биотоплива может достигать до 30% в зависимости от влажности сырья. Если содержание воды выше 30%, то жидкое биотопливо расслаивается на две фазы: водорастворимые вещества и тяжелые пиролизные смолы. В связи с этим, для обеспечения однородности жидкого биотоплива необходимым условием при быстром пиролизе является контроль влажности сырья, которая не должна превышать 11%.

При исследовании химического состава биотоплива канцерогенов

©

обнаружено не было, однако следует помнить, что продолжительный нагрев может привести к образованию полициклических ароматических соединений.

Также следует отметить, что существенным недостатком биотоплива является высокое содержание низших органических кислот.

Учитывая данное обстоятельство, были проведены замеры показателя активности ионов водорода (рН) пиролизной жидкости. Инструментальный замер рН производился с помощью рН-метра/милливольтметра МАРК - 901.

При нормальной температуре исследуемой жидкости рН биотоплива составил 2,43, что говорит о высокой кислотности среды. Высокая кислотность биотоплива требует применения легированных сталей для изготовления узлов и элементов оборудования.

Одним из наиболее важных физических свойств исследуемого жидкого продукта пиролиза является вязкость. Определение вязкости проводилось в диапазоне температур от 18 до 100°С. В результате проведенных экспериментов была получена зависимость коэффициента кинематической вязкости от температуры, которая выражается функцией

1

v =-,

-1,5876 + 0,6851п

где V - кинематическая вязкость, Ст ; Т- температура, °С.

На рис. 1 представлена зависимость коэффициента кинематической вязкости жидких продуктов пиролиза от температуры. Точками представлены экспериментальные данные, линией - значения, рассчитанные по уравнению (1). Анализ зависимости показывает, что при повышении температуры в исследуемом диапазоне коэффициент вязкости снижается почти в 5 раз. Расхождения рассчитанных значений по уравнению (1) от экспериментальных составляют не более 10%.

у,Ст 3 2,5 2 1,5

0,5 0

0 20 40 60 80 100 120

т,° С

Рис. 1. Зависимость коэффициента кинематической вязкости пиролизной жидкости от

температуры

Также были проведены эксперименты по определению давления смеси паров исследуемой жидкости в состоянии равновесия при различных температурах.

Давление смеси насыщенных паров биотоплива дает характеристику по содержанию и составу низкокипящих фракций биотоплива. По величине

т

\

давления смеси насыщенных паров биотоплива можно судить: о пусковых свойствах исследуемого вещества, о склонности его к образованию паровых пробок в топливной системе двигателя, о возможных потерях биотоплива при транспортировании и хранении.

Давление смеси насыщенных паров биотоплива было определено статическим прямым методом.

По результатам исследования по определению давления смеси насыщенных паров биотоплива была получена зависимость давления смеси от температуры, которая может быть представлена в виде эмпирического уравнения:

P= 1065,144exp

21,295 )

где Р - давление смеси насыщенных паров биотоплива, Па; Т - температура, °С.

Расхождение расчетных значений по уравнению (2) от экспериментальных составляет не более 9%.

На рис. 2 представлена зависимость давления паров пиролизной жидкости в состоянии равновесия от температуры, которая показывает, что давление паров жидкости увеличивается при увеличении температуры по экспоненциальному закону и при 97°С равно атмосферному.

Р, кПа 160т

140 120 100 SO 60 40 20 О

/

/

/

/

и

20

40

60

80

101)

120

Г," с

Рис. 2. Зависимость давления паров пиролизной жидкости в состоянии равновесия от

температуры

Таким образом, в результате проведенных исследований были определены химический состав, показатель активности ионов водорода (рН), коэффициент кинематической вязкости, давление смеси паров биотоплива в состоянии равновесия. При энергетическом использовании жидкого продукта быстрого пиролиза необходимо учесть его специфические особенности: высокую кислотность и повышенную вязкость.

Summary

The chemical compound, indicators of activity of ions of hydrogen (pH), factor of kinematic viscosity, pressure of a mix of steams in a balance condition of biooil have been defined.

Key words: liquid biofuel, physical and chemical properties, woodworking wastes.

Литература

1. Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Часть 1. / Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2000. №2. С. 3-4.

2. Грачев А.Н. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме. / А.Н. Грачев, Р.Г. Хисматов, Р.Г. Сафин, В.Н. Башкиров // Известия Самарского научного центра РАН. 2008. Специальный выпуск. С. 25-29.

3. J.P. Diebold «A Review of the Chemical and Physical Mechanisms of the Storage Stability of Fast Pyrolysis Bio-Oils», National Renewable Energy Laboratory January 2000.

Поступила в редакцию 17 сентября 2009 года

Грачев Андрей Николаевич - канд. техн. наук, доцент Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел.: 8-905-3751823. E-mail: andri@hitv.ru.

Сафин Рушан Гареевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Переработка древесных материалов» (ПДМ) Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел.: 8 (843) 231-47-57.

Таймаров Михаил Александрович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Котельные установки и парогенераторы» (КУШ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-905-3121629.

Гильфанов Камиль Хабибович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов и производств» (АТПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-917-2528192.

Тунцев Денис Владимирович - аспирант Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел.: 8-919-6930330. E-mail: tuncev_d@mail.ru.