Результаты математического моделирования термического разложения древесины в абляционном режиме

УДК 66.092-977

А. Н. Грачев, А. А. Макаров, Р. Г. Сафин РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО

РАЗЛОЖЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В АБЛЯЦИОННОМ РЕЖИМЕ

Ключевые слова математическое моделирование, термическое разложение.

Разработана математическая модель термического разложения древесины в режиме абляции, которая учитывает влияние режимных параметров процесса (температуру, давление и скорость смещения), толщину слоя промежуточного вещества (интермедиата) на скорость термического разложения.

Keywords: mathematical modeling, thermal decomposition.

Developed the mathematical model of thermal decomposition of wood in the mode of ablation, which takes into account the effect of operating parameters (temperature, pressure and velocity of displacement), the thickness of an intermediate at the rate of thermal decomposition.

В связи с промышленным развитием многих стран увеличивается их потребность в альтернативных возобновляемых источниках энергии, одним из которых является древесная биомасса [1]. Однако, существенным недостатком биомассы в качестве источника энергии является низкая энергетическая плотность, что увеличивает затраты на её сбор, транспортировку и хранение, тем самым снижая эффективность её использования в существующей инфраструктуре. Значительно повысить технологичность и эффективность использования биомассы позволяет технология быстрого пиролиза, которая обеспечивает переработку древесной биомассы с высоким выходом жидких продуктов [4]. При децентрализованной переработке древесной биомассы наиболее эффективной представляется технология быстрого абляционного пиролиза, которая обладает высокой удельной производительностью и менее требовательна к подготовке исходного сырья. Однако технология термического разложения в режиме абляции находится на опытном уровне и поэтому исследования термического разложения древесных материалов в абляционном режиме являются актуальными [3].

Пиролиз древесины в режиме абляции характеризуется очень малой величиной зоны реакции, обусловленной значительными скоростями подвода теплоты к поверхности древесины и удаления продуктов реакций из зоны термического разложения. Подведенная к древесине теплота расходуется в большей мере на термическое разложение древесины в тонком, непрерывно удаляемом с поверхности древесины, слое, поскольку скорость внутреннего теплопереноса в исходной древесине значительно ниже, чем скорости подвода и отвода теплоты из зоны реакции. Подвод теплоты и удаление продуктов реакций может осуществляться кондуктивным механоактивированным методом.

Механизм термического разложения в режиме механической абляции можно представить в виде трехстадийной схемы по аналогии с механизмом разложения целлюлозы (рис. 1): На первом этапе осуществляется разложение с образованием промежуточного жидкого вещества; на втором этапе термическое разложение интермедиата на углистое вещество, пары и неконденсируемые газы; на третьем этапе, в случае длительного пребывания в зоне реакции, пары разлагаются на неконденсируемые газы и уголь. Лимитирующим механизмом на первой стадии термического разложения является подвод тепловой энергии через тонкий слой жидкости, что позволяет не рассматривать кинетику термических превращений, положив, что первичное термическое разложение древесины происходит подобно фазовому переходу первого рода при определенном значении температуры Тф с поглощением теплоты химических реакций.

древесина

М2'

• неконденсирующийся газ промежуточное

вещество -------кз — конденсирующиеся пары

к4. к<4

______________________- уголь___________________

Рис. 1 - Механизм термического разложения в режиме механической абляции

С учетом принятых допущений задача моделирования быстрого абляционного пиролиза сводится к решению двухфазной задачи Стефана с подвижной границей и подвижным граничным условием. Учитывая сложность математического описания гидродинамики реагирующего слоя промежуточного продукта, целесообразно принять, что при определенных температуре поверхности абляции, скорости смещения, давлении и поперечном сечении образца существует одно единственное значение толщины слоя жидкого расплава. Разработанная математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме подробно описана в работе [2]. В ходе решения математической модели процесса термического разложения древесины в абляционном режиме был проведен анализ реагирования компонентов в слое интермедиата (рис. 2), который показал, что термическое разложение жидкого слоя практически отсутствует при толщинах менее 100 мкм. Более толстые слои интермедиата в виду более длительного пребывания в зоне реакции подвергаются перегреву и частичному разложению первичной жидкости в жидкие продукты газ и уголь.

Рис. 2 - Расчетный анализ реагирования в слое интермедиата

Представленные на рис. 3 профили концентраций компонентов показывают, что интермедиат преимущественно разлагается в жидкие продукты пиролиза. Анализ расчетного распределения концентраций (рис. 4) в реагирующем слое на удалении от образца также показал, что в процессе термического разложения интермедиата преимущественно образуются жидкие продукты пиролиза, причем доля третичных продуктов минимальна даже при достаточно высоких температурах.

р.^

р„

/ р"" ^ р„—

О 2х|0~* 4х|0‘4 6x10 ^ 8x10“ 1x10

5, М

Рис. 3 - Распределение относительной концентрации компонентов в слое интермедиата в образце в процессе термического разложения древесины в режиме абляции

р , р *

х , сек

Рис. 4 - Зоны термического разложения древесины в режиме абляции на удалении от образца

На рис. 5 представлена расчетная зависимость выхода конечных продуктов в зависимости от условий процесса, которая показывает, что увеличение толщины слоя интермедиата приводит к изменению выхода конечных продуктов. При ее увеличении выход жидких продуктов снижается, а угля и газов возрастает. Выход жидких продуктов практически стабилизируется на уровне 79 % (макс) при толщине слоя интермедиата менее 100 мкм.

Рис. 5 - Выход конечных продуктов в зависимости от условий процесса термического разложения древесины в режиме абляции

Таким образом, в результате проведенных исследований был идентифицирован механизм процесса быстрого абляционного пиролиза.

Литература

1. Гелетуха, Г.Г. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы путем быстрого пиролиза. Часть 1 /Г.Г. Гелетуха, Т. А. Железная// Экотехнологии и ресурсосбережение. Киев — 2000. №2. - С. 3-11.

2. Макаров, А.А. Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме / А.А. Макаров, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин, А.Т. Шаймуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. -Т. 14, №8.- С. 68-73.

3. Тимербаев, Н.Ф. Современное состояние процесса пирогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И. Хуснуллин // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №3. - С. 169-173.

4. Di Blasi, C. « Heat transfer mechanisms and multi-step kinetics in the ablative pyrolysis of cellulose» Chemical Engineering Science. -1996. -51(7). - P. 1121-1132.

© А. Н. Грачев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, energolesprom@gmail.com; А. А. Макаров - асп. той же кафедры, makar3325@rambler.ru; Р. Г. Сафин -д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safin_rg@kstu.ru.