1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 5, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 5, стр. 31-39

Тепловые эффекты при торрефикации растительной биомассы. Эксперимент и математическое моделирование

В. М. Зайченко a, Г. А. Сычев a, А. Л. Шевченко a, *

a Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)
125412 Москва, Ижорская ул., д. 13, корп. 2, Россия

* E-mail: shev@jiht.ru

Поступила в редакцию 29.09.2022
После доработки 09.11.2022
Принята к публикации 25.11.2022

Аннотация

Приводятся результаты экспериментальных и расчетных исследований торрефикации (низкотемпературного пиролиза) гранулированной растительной биомассы. В результате этого процесса из биомассы различных видов (в том числе отходов) получается качественное твердое гидрофобное биотопливо с повышенной теплотой сгорания. В отличие от ископаемого угля, торрефицированное топливо практически не содержит серу и тяжелые металлы, обладает меньшей зольностью и является углеродно-нейтральным продуктом. Выделяющийся при сгорании растительного биотоплива углекислый газ полностью поглощается в период роста растений. Биотопливо – возобновляемый ресурс. Годовой прирост биомассы составляет 400 млрд т, а скорость накопления энергии наземной биомассой – 3 × 1021 Дж/год. В статье рассмотрены вертикальный реактор с плотным слоем пеллет, движущихся навстречу потоку греющего газа под действием собственного веса, и особенности его функционирования с учетом возможной реализации концепции управляемой экзотермической реакции. Для обеспечения заданного режима на установке предусмотрены два управляющих блока: по контролю и поддержанию заданной температуры теплоносителя на входе в реактор и по управлению открытием заслонок для выгрузки готовой продукции в зону охлаждения. Представлены экспериментальные и расчетные данные трех характерных режимов работы установки: с ограничением экзотермической реакции путем контроля входной температуры, с управляемой экзотермической реакцией и получения биоугля. Второй режим оказался наиболее энергоэффективным. Отклонение расчетных данных от экспериментальных составило не более 4%. Показано, что использование энергии экзотермической реакции позволяет существенно повысить энергетическую эффективность процесса получения углеродно-нейтрального твердого биотоплива.

Ключевые слова: биотопливо, утилизация отходов, торрефикация, энергоэффективность, экзотермическая реакция, реактор с подвижным слоем, теплоноситель, биоуголь, пиролиз, охлаждение

Список литературы

  1. Нетрадиционная энергетика [Электрон. ресурс.] http://gigavat.com/netradicionnaya_energetika_biomassa_3.php

  2. Basu P. Biomass gasification and pyrolysis. Practical design and theory. Kidlington; Oxford: Elsevier Inc., 2010.

  3. Wood briquette torrefaction / F.F. Felfli, C.A. Luengo, J.A. Suarez, P.A. Beatón // Energy Sustainable Dev. 2005. V. 9. Is. 3. P. 19–22. https://doi.org/10.1016/S0973-0826(08)60519-0

  4. Pach M., Zanzi R., Bjornbom E. Torrefied biomass a substitute for wood and charcoal // Proc. of the 6th Asia-Pacific Intern. Symp. on Combustion and Energy Utilization. Kuala Lumpur, Malaysia, 2002.

  5. Prins M.J., Ptasinski K.J., Janssen F.J.J.G. More efficient biomass gasification via torrefaction / // Energy. 2006. V. 31. Is. 15. P. 3458–3470. https://doi.org/10.1016/j.energy.2006.03.008

  6. Demirbas A. Biorefineries: current activities and future developments // Energy Convers. Manage. 2009. V. 50. Is. 11. P. 2782–2801. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.06.035

  7. Biomass upgrading by torrefaction for the production of biofuels: a review / M.J.C. van der Stelt, H. Gerhauser, J.H.A. Kiel, K.J. Ptasinski // Biomass Bioenergy. 2011. V. 35. Is. 9. P. 3748–3762. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.06.023

  8. Stump torrefaction for bioenergy application / K.-Q. Tran, X. Luo, G. Seisenbaeva, R. Jirjis // Appl. Energy. 2013. V. 112. P. 539–546. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.12.053

  9. Simonic M., Goricanec D., Urbancl D. Impact of torrefaction on biomass properties depending on temperature and operation time // Sci. Total Environ. 2020. V. 740. P. 140086. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140086

  10. Пат. РФ № 175131 (U1), МПК C10J 3/00. Устройство для термической конверсии биомассы / В.М. Зайченко, О.М. Ларина, А.В. Марков, А.В. Морозов // Б.И. 2017. № 33. 21.11.2017–27.11.2017.

  11. Козлов В.Н. Современное состояние теории углежжения. М.: Металлургиздат, 1939.

  12. Кислицын А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы. М.: Лесная пром-сть, 1990.

  13. Пат. РФ № 161775 (U1), МПК C10J 3/00. Установка для торрефикации гранулированной биомассы / В.М. Зайченко, В.Ф. Косов, Ю.С. Кузьмина, Г.А. Сычев. Патентообладатель ОИВТ РАН. Заявл. 06.10.2015. Опубл. 10.05.2016 // Б.И. 2016. № 13.

  14. Shevchenko A.L., Sytchev G.A., Zaichenko V.M. The transition to energy efficient biomass torrefaction technology // Intern. Conf. on Automatics and Energy (ICAE 2021). Vladivostok, Russia, 7–8 Oct. 2021 // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. No. 2096. P. 012082. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2096/1/012082

  15. Свид. РФ № 2018664704 о гос. регистрации программ для ЭВМ. Программа расчета теплофизических параметров реактора термической конверсии биомассы (PYRBM) / А.Л. Шевченко, Л.Б. Директор. 29.10.2018.

  16. Shevchenko A.L., Sytchev G.A., Zaichenko V.M. Energy efficient technology for torrefied biofuel production // Proc. of the 2020 Intern. Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). Vladivostok, Russia, 6–9 Oct. 2020. P. 9271198. https://doi.org/10.1109/FarEastCon50210.2020.9271198

  17. Передерий С.Э. Будут ли в России производить торрефицированные пеллеты? // ЛесПромИнформ. 2020. № 1 (147). С. 122–125.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал