Процесс пиролиза — разложения биомассы — может проходить в автотермическом режиме. То есть биомассу достаточно нагреть до определенной температуры, а дальше процесс идет в автоматическом режиме, за счет собственного тепловыделения. Такую возможность рассмотрели ученые Томского политехнического университета в своей статье, опубликованной в Journal of Thermal Analysis and Calorimetry (IF: 2.209; Q2). Развитие исследований в этой области поможет сделать технологии получения энергии из биотоплива более ресурсоэффективными и экономически выгодными.
В статье представлены результаты работы с такими видами биомассы, как сосновые опилки, щепа из различных пород древесины, солома, два вида торфа — с месторождений Аркадьевское и Суховское из Томской области. Это наиболее распространенные в области и характерные для России в целом типы биомассы. Для выделения из них тепла и энергетически ценных продуктов — смолы, твердого углеродистого остатка и горючего газа — политехники подвергли ее пиролизу, процессу термического разложения органики в бескислородной среде.
«На планете огромное количество органики, которая может быть использована в качестве биотоплива, — продукты растительного и животного мира, а также жизнедеятельности человеческого общества. Такое топливо, безусловно, гораздо более экологично по сравнению с традиционными видами топлива. Однако, чтобы оно заменило или хотя бы составило конкуренцию ископаемому органическому сырью, технологии получения топлива из биомассы должны стать экономически более целесообразными. Одно из направлений получения топлива из биомассы — это пиролитическая переработка. Пиролиз положен в основу многих современных технологий — производства биотоплива из биомассы, газификации и других. Несмотря на то, что сам процесс известен достаточно давно, ученые до сих пор не пришли к единому мнению, насколько это энергозатратная технология. Одни считают, что это невыгодная расточительная технология, так как требует энергетических затрат на разложение органики. Вторые, и мы причисляем к ним себя, доказывают, что пиролиз может проходить с выделением тепла, которое можно использовать для поддержания самого процесса. Проведенные нами исследования наглядно подтверждают это предположение», — объясняет один из авторов статьи, научный сотрудник Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Роман Табакаев.
В автотермических процессах температура, необходимая для нормального хода реакции, поддерживается за счет собственного тепловыделения. На практике это позволяет существенно уменьшить затраты на технологический процесс, повысить КПД переработки и сократить количество вспомогательного оборудования.
В контексте пиролиза автотермический режим — это процесс, в котором величина теплового эффекта превышает тепловые затраты. То есть при разложении биомассы тепла должно выделяться больше, чем затрачивается на ее нагрев. Чтобы выяснить значения этих величин — теплового эффекта и тепловых затрат — для конкретных видов биомассы, авторы статьи провели термогравиметрический (ТГА) и дифференциальный термический анализы, а также осуществили экспериментальную переработку вышеперечисленных проб биомассы.
«Полученные экспериментальные и аналитические данные, говорят о том, что при пиролизе соломы, щепы, опилок и торфа с Суховского месторождения тепла выделяется больше, чем требуется на их нагрев. А вот в случае с торфом с Аркадьевского месторождения тепловой эффект оказался меньше, чем затраты на нагрев», — отмечает Роман Табакаев.
Такой эффект для соломы и древесины исследователи связывают с процессами разложения целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы в ходе пиролиза. Именно эти процессы дают дополнительное тепло. В случае с Суховским торфом этот эффект обусловлен разложением целлюлозы, гуминовых и фульвовых кислот.
Так, разница между полученным и затраченным теплом для подсушенных проб соломы составила +654,5 килоджоулей на килограмм (кДж/кг), для щепы — +282,0 кДж/кг, для опилок — +303,6 кДж/кг, для суховского торфа — +275,3 кДж/кг.
«В этой статье мы показали расчетным путем возможность организации такого автотермического режима пиролиза. Эти данные подтверждаются результатами недавно проведенных нами физических экспериментов с соломой, которые показали: когда температура соломы достигает 365 градусов по Цельсию, она продолжает подниматься уже без дополнительного нагрева, "самостоятельно", до 430 градусов. Теперь наша задача — физически реализовать пиролиз в автотермическом режиме при непрерывной подаче сырья в реактор, для чего в настоящий момент мы создаем экспериментальную установку», — говорит ученый.
Справка:
Биомасса относится к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ). При этом биомасса является одним из наиболее универсальных видов ВИЭ с точки зрения энергетического использования, ведь не в каждом регионе планеты в достаточном количестве присутствуют другие виды ВИЭ — например, солнечная энергия или вода. А так как основные виды биомассы — это отходы сельскохозяйственной, деревоперерабатывающей и пищевой промышленности, биомасса является загрязнителем окружающей среды и потенциальным очагом возникновения пожаров. Этот факт не просто говорит о возможности ее использования в качестве топлива для энергетики, а свидетельствует о необходимости принятия мер по ее утилизации.
Отметим, что в ряде северных стран, в том числе и в России, торф также относят к медленно возобновляемым ресурсам биомассы при условии, что годовой прирост торфа превышает объемы его добычи.
По данным IEA (Международного энергетического агентства), в мировом масштабе прогнозируется постоянный рост использования ВИЭ, и к 2040 году вклад ВИЭ в энергетику достигнет уровня использования угля в 2017 году.
Источник: Официальный сайт ТПУ