Принцип работы пиролизного котла: Схема пиролизного котла: устройство, чертежи, обвязка, расчет

Содержание

Схема пиролизного котла: устройство, чертежи, обвязка, расчет

Из всех видов отопительных установок, работающих на твердом топливе, наиболее эффективными считаются агрегаты, в которых при сжигании дров или угля происходит пиролиз. Это процесс дожигания газов, выделяющихся из дров или угля при их тлении, что позволяет передавать теплоносителю почти всю энергию сгорания топлива. Данный принцип использует схема пиролизного котла, в которой реализовано выделение горючего газа из топлива и его последующее сжигание.

Конструкция и компоновка элементов установки

В отличие от классических твердотопливных установок устройство пиролизных котлов длительного горения предусматривает две камеры сгорания вместо традиционной топки. В первой камере осуществляется медленное горение за счет недостаточного количества воздуха. При этом топливо начинает выделять так называемый пиролизный газ, перетекающий во вторичную камеру вместе с продуктами сгорания. Туда же подается достаточное количество воздуха, вследствие чего газ воспламеняется и сгорает, нагревая водяную рубашку агрегата.

Расположение двух камер может быть различным, поскольку отопительные котлы пиролизного типа могут работать как на естественной тяге дымохода, так и с помощью принудительной подачи воздуха вентилятором. В установках, использующих естественную тягу, вторичная камера расположена над первичной и воздух проходит через топливо снизу вверх. При искусственно создаваемой тяге главная топка, наоборот, находится над камерой дожига и поток воздуха направлен сверху вниз. Это отражают представленные ниже схемы устройства пиролизных котлов с различной компоновкой камер.

Способы подачи воздуха для горения

К высоте и диаметру дымохода предъявляются повышенные требования, когда схема подачи воздуха в пиролизном котле предполагает использование обычной тяги. Ее должно хватать на преодоление сопротивления газовоздушного тракта установки и дымоходной трубы, а также на создание разрежения в топке величиной 16—20 Па. Подобрать диаметр можно по выходному патрубку, а высота должна быть не менее 5—6 м.

Принудительная подача воздуха в обе камеры может осуществляться тремя способами:

Обычно схема пиролизного котла, предусматривает установку вентилятора в режиме нагнетания. Это объясняется тем, что обычный нагнетатель по стоимости доступнее чем дымосос, так как последний должен вытягивать отходящие газы с высокой температурой. По этой причине его конструктивные элементы стоят дороже.

Ведущие производители пиролизных котлов устанавливают на свои изделия дымососы на выходе продуктов горения. Причина – обеспечение безопасности для человека, открывшего дверцу топки в рабочем режиме. Дымосос создает разрежение, поэтому пламя не полыхнет через открытый проем человеку в лицо.

При большой мощности установки производителями применяются вентиляторы для котлов обоих типов, на входе и выходе газовоздушного тракта.

Для того, чтобы понять, как работает пиролизный котел, рекомендуем посмотреть следующее видео.

Изготовление пиролизного котла

Эффективность этого вида установок на дровах стала причиной их популярности у мастеров, которые могут изготавливать твердотопливные котлы пиролизного типа собственными силами из имеющихся материалов. Процесс этот достаточно трудоемкий и требующий навыков выполнения слесарных и сварочных работ, некоторого минимума инструментов и оборудования:

  • аппарат для электросварки;
  • угловая шлифовальная машина;
  • дрель электрическая;
  • набор слесарных инструментов.

Если имеются навыки, инструменты и большое желание, то можно изготовить агрегат, используя следующий чертеж пиролизного котла на естественной тяге:

1 – воздушный канал; 2 – дверца для загрузки топлива; 3 – дверца вторичной камеры; 4 – заслонка прямой тяги; 5 – первичная камера; 6 – верхняя крышка; 7 – входной канал для подачи воздуха; 8 – воздушная заслонка; 9 – патрубок для группы безопасности; 10 – вторичная камера дожигания; 11 – патрубок присоединения дымохода; 12 – форсунка; 13 – жаротрубный теплообменник.

Материалом для изготовления камер может служить жаропрочная легированная сталь, но это дорогой материал, поэтому мастера берут простую углеродистую сталь толщиной 5 мм. Для защиты ее от высокой температуры в нижней части топки выполняется футеровка пиролизного котла огнеупорным кирпичом. Им же нужно защитить днище вторичной камеры, куда направлен факел пламени. Для обшивки водяной рубашки применяется листовой металл толщиной 3 мм, его приваривают к ребрам жесткости из полосовой стали. Из такого же металла изготавливают дверцы, крышку и обрамление проемов.

Передачу тепла от дымовых газов устройство котла предусматривает через жаротрубный теплообменник, находящийся внутри водяной рубашки. Для его изготовления подойдут бесшовные стальные трубы из углеродистой стали наружным диаметров 48 или 57 мм. Количество труб следует подобрать по необходимой площади поверхности теплообмена, для чего выполняется расчет пиролизного котла.

Учитывая, что топливо в пиролизных агрегатах горит долго (до 12 часов) и продуктивно, некоторые владельцы классических установок прямого горения задумываются о том, можно ли их модернизировать. Такая переделка твердотопливного котла в пиролизный возможна, но при условии, что топка агрегата сделана из металла, а не чугуна. Колосниковая решетка убирается и с помощью электросварки на ее месте закрепляется перегородка, разделяющая главную топку и зольник, который будет выполнять роль вторичной камеры. Между ними устанавливается форсунка. Кроме этого, понадобится организовать подачу воздуха в обе камеры, надо изготовить воздушные каналы и установить их, как показано на чертеже.

Как правило, переделка котла в пиролизный происходит не на заводских агрегатах, а на самодельных, это расширяет возможности для усовершенствования конструкции. Можно менять проходное сечение форсунки, размеры обеих камер или площади поверхностного теплообмена, добиваясь наилучших показателей длительности горения и повышения КПД установки.

Расчет пиролизного котла

Расчет начинается с определения величины температурного напора, ºС:

Ƭ= (∆Т – ∆t) / ln (∆Т / ∆t)

В этой формуле:

  • ∆Т – перепад температур продуктов сгорания перед теплообменником и после него;
  • ∆t – разница между температурами в трубопроводах подачи и возврата теплоносителя.

Полученное значение Ƭ подставляют в формулу:

S = Q / k / Ƭ, где:

  • Q – расчетная мощность отопительной установки, Вт;
  • k – коэффициент теплопередачи, равен 30 Вт / м2 ºС.

Укрупненный расчет мощности пиролизного котла (Q, кВт) выполняется исходя из площади здания. Ее значение нужно принимать по наружному обмеру дома, результат разделить на 10. Смысл этого действия в том, что на обогрев каждых 100 м2 здания требуется ориентировочно 10 кВт тепловой энергии. Полученный результат – это расчетная мощность системы отопления, а источник тепла принимается с коэффициентом запаса. Он зависит от региона проживания и колеблется от 1,1 до 1,5.

Пусконаладочные работы

После того как сборка пиролизного котла завершена, нужно обязательно проверить герметичность сварных соединений. Водяная рубашка наполняется водой, затем в нее накачивается воздух, создавая избыточное давление. Некачественно сваренные швы дадут о себе знать протечками. Теперь можно производить испытания, лучше это делать на улице, подавая проточную воду из шланга. Если на агрегате установлена группа безопасности, то можно наполнить резервуар котла водой и проверить его работу при критическом давлении 2—2,5 Бар. Порядок испытаний следующий:

  • Присоединить временный дымоход, загрузить в камеру топливо и открыть заслонку прямой тяги.
  • Прекратить подачу проточной воды, предусмотрев для этого временный кран.
  • Произвести розжиг и запуск пиролизного котла. Как только дрова разгорятся, заслонку прямой тяги нужно прикрывать, чтобы начался процесс пиролиза.
  • Открыв дверцу вторичной камеры, убедиться в наличии факела пламени. Здесь требуется регулировка пиролизного котла, нужно добиться ровного и устойчивого факела, открывая или закрывая воздушную заслонку.
  • Закрыть дверцу и наблюдать за показаниями термометра и манометра. В закрытой водяной рубашке процесс парообразования может начаться при достижении давления 1,5 Бар, в это время надо внимательно отслеживать температуру.
  • Качественно сваренные пиролизные котлы отопления могут выдерживать давление до 3 Бар, но не стоит ставить рекорды. Достаточно, если предохранительный клапан, настроенный на давление 2 или 2,5 Бар начнет сбрасывать пар, тогда можно открывать кран и возобновлять циркуляцию воды. Заслонку подачи воздуха надо закрыть, чтобы топливо начало затухать.

Будьте осторожны, проводя такие испытания, есть опасность обвариться кипятком по неосторожности или при разрыве водяной рубашки.

Подключение котла к системе отопления

Последний этап – подключение пиролизного котла и выполнение его обвязки. Как и во всех твердотопливных установках, надо исключить образование конденсата на внутренних стенках топки во время разогрева. Это явление сокращает срок службы корпуса топки, поскольку конденсат содержит включения серы и будет вызывать интенсивную коррозию металла. По этой причине обвязка котла отопления должна быть выполнена по схеме, не допускающей попадание в рубашку холодной воды при разогреве.

Ниже приведена классическая схема подключения пиролизного котла к системе отопления с балансировочным вентилем между подающим и обратным трубопроводами.

Перемычка образует малый контур, в котором теплоноситель приводится в движение циркуляционным насосом. Приведенная на схеме обвязка пиролизного котла отопления позволяет воде циркулировать по малому контуру, прогреваясь вместе с агрегатом. Термостатический трехходовой клапан начнет подмешивать холодную воду из системы в тот момент, когда в малом контуре температура воды достигнет заданного значения, обычно это 45—50 ºС.

Рабочая температура в системе отопления лежит в пределах 60—80 ºС, поднимать ее выше приходится редко. Если при работе в этом диапазоне температур в вашем доме прохладно, то надо искать причину в самой системе. Увеличивать температуру не имеет смысла, это только увеличит расход дров в пиролизном котле.

Заключение

Пиролизные установки, сделанные своими руками, приобретают все большую востребованность. Причина – высокая стоимость котлов заводского изготовления, самодельные агрегаты часто оказываются единственной альтернативой. Единственный недостаток — топливо для пиролизных котлов должно иметь влажность не выше 25%, иначе процесс пиролиза будет слабым, что влияет на производительность установки.

 

его устройство, принцип работы и рекомендации по его эксплуатации

Отличной заменой котла, работающем на твердом топливе, являются установки пиролизного действия. Они уже зарекомендовали себя как более эффективные и очень простые в эксплуатации, а также несмотря на высокую цену, пользуются огромным спросом.

Котел пиролизного действия – на данный момент перспективный отопительный прибор, его коэффициент полезного действия более 90%, Вид топлива в основном пеллеты, они дешевые и экологичные.

Устройство пиролизного котла

Пиролизный котел – это не печка. В нем происходит ряд сложных процессов. А разработка котла – это ответственная задача для инженеров-конструкторов, которая требует наличие опыта, знаний и массу усердного труда и больших затрат на обкатку готовой конструкции и эксперименты. Как вы понимаете, в этой сфере отсутствует вековой опыт и проверенные поколениями технические решения, как, например, у традиционных печей.

Если вы и найдете в свободном доступе в интернете схемы котла, то это будут 2-3 схемы общего вида и 3-4 схемы печи в разрезе. Умея работать CorelDraw и в ACAD, а также при наличии соответствующего образования и опыта работы, вы сами сможете составить деталировку. Однако помните, что спецификации вы все равно не найдет. А это значит, что вам придется лишь догадываться либо выводить экспериментальным путем из какого материала должна быть та или иная деталь.

Стоит также отметить, что есть много авторов подобных конструкций, которые возьмут сравнительно небольшие деньги за полный комплект тех.документов. Гораздо больше денег и времени у вас уйдет на чай или кофе, если до всего пытаться дойти самостоятельно. Но как понять, эффективно ли будет это устройство, будет ли оно работать?

Подобными вопросами задаются все те, кто решил приобрести себе пиролизный котел или печь. И продавцы и производители предлагают их в больших количествах. Они подберут вам подходящую модель, соответствующую вашим данным и замерам. Однако, как понять какая именно модель подойдет для вашего дома, как сориентироваться по цене, какой котел экономичнее, какой надежнее? Мы уже привыкли выбирать такие бытовые приборы, как стиральные машины, телевизоры и холодильники. Но с котлами мало кто сталкивался.

В этой статье мы постараемся дать читателю ответы на все вопросы относительно пирокотла. Надеемся, что это поможет вам при покупке.

Стоит отметить, что пиролизный котел отопления означает, что он полнопоточный (для непрерывной работы вашей системы отопления котел выдает постоянный необходимый расход горячей воды). Также регистр водогрейный – это важная часть конструкции и из котла нельзя убрать водогрейку. Без нее или же с пустым контуром, котел без аварийной автоматики может прогореть или взорваться.

Газогенерация и процесс пиролиза

Пиролизные котлы принцип работы базируется на явлении пиролиза. Говоря простым языком — от нагрева молекул, вещества расщепляются на более легкие и простые части. Это означает, что продукты пиролиза легче будут гореть и будут давать больше тепла.

Чистый пиролиз подразумевает распад закладки топлива без поступления воздуха в специальные ёмкости – реторте. Затем газы собираются в накопителе – ресивере. Оттуда они используются по мере необходимости. По этой схеме работали итальянские, немецкие и французские пиролизные установки в машинах во время войны.

Все бытовые современные пиролизные котлы, работающие на твердом топливе, газогенераторные. По-другому не получится получить КПД свыше 65-70%. Однако, название «пиролизные» совсем неслучайно. Больше 90% тепла вырабатывается путем сгорания пиролизных газов. В связи с этим, дальше по тексту значения «пиролизный» и «газогенераторный» будут использоваться в качестве синонимов, кроме тех случаев, когда оговорено иное.

Рабочий цикл

Воздух проходит в камеру, где происходит газификация, в камере также тлеет топливо. Часть кислорода от этого воздуха идет на поддержание тления, что обеспечивает температуру процесса газификации от 200 до 800 градусов.

Через сопло, в камеру сгорания поступают пиролизные газы (на сленге сопло также называют хайлом). В эту же камеру поступает вторичный воздух, таким образом горят пиролизные газы.

Часть газов – частиц освобожденного углерода из состава топлива в катализаторе, переходят до окисла азота и СО2. На этот процесс уходит часть тепла. Восстановленные составляющие в камере дожигания проходят процесс окисления, при этом отдают обратно тепло. Дымовые прореагировавшие газы проходят сквозь теплообменник регистра, подогревая в нем воду, а потом улетучиваются в систему дымохода. Терморегулирующая система поддерживает в камере сгорания для полного сгорания оптимальную температуру.

Режимы работы пирокотла

  1. Розжиг. Открыт шибер либо заслонка прямого хода. Дымовые газы уходят сразу в дымоход.
  2. Рабочий режим. Закрыта заслонка прямого хода, осуществляется пиролиз. При этом тяга в самом газоходе регулируется естественным образом либо принудительно.
  3. Догрузка топлива. Открыта заслонка прямого хода, однако, в течение некоторого времени тяга в газоотводе сохраняется: он при этом разогрет и, если присутствует вентилятор, то он не выключается. Процесс пиролиза не прекращается. Также общим недостатком для котлов, основанных на процессе пиролиза, является их привередливость к материалам конструкции и топливу.

Принцип работы пиролизного котла

В камеру, где происходит процесс сгорания, бьет струя сильно нагретых газов. В связи с этим для таких узлов не годятся обычные конструкционные материалы.

Существует один недостаток пирокотлов:

  • малые пределы для регулировки мощностей при моменте сохранения достаточно высокого коэффициента полезного действия;
  • разгонять котел более чем на 50% по теплу не получится – топливо вспыхнет в газификаторе и снизится коэффициента полезного действия.

Систему отопления на пирокотле необходимо рассчитывать исходя из циклического режима прогрева. При этом крайне желательно утеплиться снаружи ЭППС.

Материалы и топливо

И покупателю и тому, кто решил самостоятельно спроектировать котел, необходимо знать, что камеры сгорания, газификатор и дожигатель без температуростойкой защиты долго не проработают. Технология нанесения и состав защиты является особым секретом любой фирмы, занимающейся производством котлов.

Наиболее предпочтительными видами твердого топлива для данных котлов являются дрова или топливные пеллеты (под них и проектируются промышленные модели). Пирокотел на угле с высоким КПД будет работать до тех пор, пока все летучие не выйдут. А их не так уж и много в каменном угле, а в древесном – их почти нет. После этого идет сгорание углерода с коэффициентом полезного действия, который соответствует печному. Эффективный котел, рассчитанный на длительное горение на угле, нужно проектировать на комбинированном рабочем цикле. При этом цикле заложенное топливо сгорает с поверхности, а цикл пиролиза происходит с горением непосредственно на поверхности топлива.

Работа «принудительных» котлов

Наддув

Компьютерный вентилятор обычной конструкции загоняет в газификатор воздух. От воздушной внутренней магистрали вторичный воздух попадает в камеру сгорания. Давление при этом в рабочей полости выше атмосферного.

Рассмотрим достоинство такой схемы:

  • вентилятор самой простой конструкции;
  • камера, где происходит процесс сгорания, совмещена с дожигателем;
  • при использовании жаропрочных специальных сталей вы сможете обойтись без футеровки, ведь температура свыше 1000 градусов сосредоточена возле сопла, а у самих стен ниже 800 — 900 градусов.

Однако, все перечисленные преимущества не позволяют получить КПД выше, чем 82-84%. Воздух под давлением частично обволакивает заложенное топливо, а внутренняя часть топлива, где происходит пиролиз, получает при этом недостаточно кислорода, причем увеличивать наддув будет бесполезно. К тому же в самой камере, где происходит процесс сгорания, оказывается много воздуха. Температура в сердцевине факела не может превысить 1100 градусов, при этом тяжелые продукты не сгорают, а испаряются в трубу. При этом КПД уже не будет выше 90%.

Особо нужно отметить опасность угарного газа от котла с принудительным наддувом.Так как, если давление в емкости больше атмосферного, то даже микротрещина послужит причиной утечки газов в ваше помещение. Газы не всегда можно распознать по запаху, но они всегда ядовиты и едки.

Откачка

Давление в тракте меньше атмосферного. Разница с наддувом принципиальная. В котлах с дымососом закладка топлива хорошо продувается: давление будет ниже там, куда воздуху труднее проникнуть, а вот тяга будет сильнее. Вторичный воздух можете загонять снаружи: давление его больше, чем в камере сгорания. Поэтому он, стремясь расшириться, взвихривается, перемешивается с пиролизными газами и они сгорают. При этом температура поднимается до 1200 и выше градусов.

Как вы понимаете, КПД здесь повышенное. Его также может повысить, благодаря высокой температуре и сгоранию тяжелых фракций. Также появляется возможность сделать механический «дубовый» терморегулятор. За его основу берется термобиметаллическая пластина в водогрейном контуре, которая изгибается при колебаниях температуры. От нее поступает тяга к дросселю, пропускающему наружный воздух в дымоход. Когда вода перегрелась, заслонка приоткрылась, мотор крутит, как и раньше, прямо от сети или UPS, но наружный воздух, с более высоким давлением, отталкивает часть дымовых газов. Давление в газификаторе и камере сгорания повышается, туда поступает меньше наружного воздуха и пиролиз со сгоранием поутихну.

КПД таких котлов с дымососом может быть выше 90%, а мощность при 100% безопасности и надежности – 100-150 кВт.

Догрузку топлива в данный котел с дымососом вы можете осуществлять без предосторожностей. Дверцу загрузочного люка и ЗПХ можно открывать — закрывать в любой последовательности. В худшем случае вы почувствуете неприятный запах, но нераскаленные яды.

Рекомендации для правильной установки готового пиролизного котла

При монтаже котла необходимо соблюдать все рекомендации пожарной безопасности, так как процессы горения в котле достигают высоких температур.

  1. Место под котел необходимо выделить в нежилой комнате.
  2. Для хорошей вентиляции воздуха, в вашей котельной необходимо сделать отверстие, равное примерно 100 квадратным сантиметрам.
  3. Котел необходимо установить на кирпичный или бетонный фундамент.
  4. Возле топочных камер котла установите защиту из листового металла двухмиллиметровой толщины.
  5. Между мебелью, корпусом и стенами возле котла необходимо оставить зазор не менее 200 миллиметров.

Принцип работы пиролизных котлов достаточно сложен. Но мы надеемся, что наша статья поможет вам разобраться в его работе и сделать правильный выбор при покупке. С повышением тарифов на коммунальные платежи все больше людей понимают, что, чем выше КПД отдачи котла, тем он экономичней и лучше в холодные зимние ночи. Поэтому и пиролизные котлы устройство которых как раз то, что вам необходимо.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

принцип работы, отзывы владельцев, преимущества и недостатки

В течение долгого времени твердое топливо значительно уступало жидкому и газообразному. Это объяснялось тем, что сжигание дров или угля недостаточно эффективно. Несмотря на данный факт, твердотопливные котлы по-прежнему остаются актуальным. Проблема их эффективности была решена с появлением пиролизных моделей, рассчитанных на длительное горение.

Пиролиз: что это?

Еще в давние времена люди поняли, что сжигание дров не является лучшим способом освобождения энергии. Наиболее эффективным оказалось использование древесного угля. В то время еще не было известно, что процесс выжигания угля назывался пиролизом. По сути, это распад органических веществ, возможный под воздействием высокой температуры. Чтобы такой распад не стал простым сжиганием, необходимо ограничить доступ кислорода. Для этого ранее использовались угольные ямы, однако важным недостатком данного способа считалась утрата энергии, которая выделяется в процессе выжигания угля. Чтобы избежать этого, были созданы специальные пиролизные котлы.

Принцип работы и устройство оборудования

Пиролизные котлы представляют собой подобие домашней лаборатории, которая выделяет из древесины газ, необходимый для отопления. В целом пиролиз широко используется в промышленности. Речь идет о распаде органических соединений на простые вещества. Это возможно при ограниченном кислороде и высокой температуре.

Пиролизный котел является двухкамерным оборудованием, в верхней части которого происходит пиролиз древесины при температуре 200–800˚C . В результате осуществляется распад на газ и древесный уголь. Смесь выделенного газа и воздуха поступает в нижнюю камеру, где сгорает при температуре около 1000–1200˚C . При этом выделяется много тепла. По сути, в современных пиролизных котлах происходит сжигание газа, а не дров, поэтому КПД составляет около 95%.

Использование оборудования по отзывам владельцев несложное, ведь горение газа легче поддается контролю, а значит, процесс управления можно автоматизировать.

Как уже упоминалось ранее, топка котла разделена на 2 камеры, между которыми расположена решетка. В верхней части происходит тление и пиролизация топлива. Газ с потоком воздуха попадает во вторую камеру, где есть форсунка из шамота. Подобные топки характеризуются высоким аэродинамическим сопротивлением, потому что здесь применяется принудительная тяга.

Пиролизные котлы делятся на несколько видов по месту размещения камеры сгорания:

  • верхний загрузочный отсек – в данном случае газ после сгорания топлива перемещается по трубе и поступает в нижнюю часть топки, а зола осыпается в камеру дожига, благодаря чему происходит ее частое очищение;
  • нижняя камера – такой вариант считается более предпочтительным, ведь продукты переработки сразу же попадают в дымоход, а значит, агрегат будет реже нуждаться в очищении, но для обустройства дымохода потребуются дополнительные затраты.

Стоит отметить, что для функционирования оборудования может использоваться 2 типа вентиляции:

  • естественная – нуждается в высоком дымоходе, что обеспечивает мощную тягу;
  • принудительная – в данном случае необходимо подключение к электросети и наличие системы насосов.

Длительность работы котла зависит от температуры, типа топлива, а также качества теплоизоляции жилища. В любом случае подобные пиролизные котлы считаются более эффективными в отличие от традиционных твердотопливных моделей.

Особенности эксплуатации

Перед запуском котла необходимо ознакомиться с особенностями его функционирования. В отличие от традиционных твердотопливных аналогов загрузочный бункер такой модели нуждается в предварительном прогревании. Когда температура в этом достигнет 500–800˚C , можно загружать твердое топливо. После этого останется запустить пиролизный режим и активизировать дымосос.

Упомянутая последовательность действий сделает возможным медленное сжигание топлива. В результате происходит эффективное выделение пиролизного газа, а значит, в жилище будет поддерживаться оптимальный температурный режим.

Подходящее топливо

Владельцы такого оборудования в своих отзывах упоминают, что для отопления подойдет различное твердое топливо. Это может быть уголь, торф и древесина. Естественно, выбранный вариант сказывается на длительности горения:

  • 5 часов – мягкая древесина;
  • 6 часов – твердая древесина;
  • 8 часов – бурый уголь;
  • 10 часов – черный уголь.

Специалисты рекомендуют отдавать предпочтение сухим дровам влажностью до 20% и длиной в 45–60 см. Благодаря им вырабатывается много тепла, а срок эксплуатации котла продлевается. Если таких качественных дров нет, можно воспользоваться другим органическим топливом:

  • пеллеты;
  • древесные отходы;
  • некоторые разновидности торфа;
  • каменный уголь;
  • отходы пищевой отрасли, в составе которых есть целлюлоза.

Необходимо помнить о том, что пиролизные котлы будут иметь белое пламя и не начнут выделять побочных продуктов при условии использования топлива, влажность которого не превышает 20%. Если этот параметр более высокий, неизбежно выделение водяного пара, что приведет к образованию копоти и ухудшению теплотворной способности.

Преимущества

Современные пиролизные котлы пользуются огромным спросом. Здесь топливо полностью сгорает, а значит, не придется регулярно очищать оборудование от сажи. Отдельно стоит упомянуть отсутствие едкого дыма. Поскольку топливо сгорает практически полностью, выделение отходов минимально. Соответственно, подобные газогенераторы считаются более экономичными. Также это позволяет применять для пиролиза отходы швейного производства. Использование качественного топлива обеспечивает работу котла в течение 12 часов на одной закладке.

Традиционные твердотопливные котлы из-за особенностей топлива всегда плохо поддавались управлению, однако использование пиролиза помогает решить проблему. Поскольку основное горение осуществляется в камере дожига, функционирование подобного оборудования возможно в автоматическом режиме.

Недостатки

Если вы хотите приобрести пиролизный котел, обязательно обратите внимание на его недостатки.

  • Прежде всего, стоит отметить высокую цену. Естественно, расходы окупятся в процессе использования оборудования, однако до этого необходимо будет сделать крупное вложение.
  • Для использования агрегата потребуется топливо определенной влажности. Если этот показатель составляет 30% и более, материал нужно самостоятельно досушить. В противном случае котел погаснет.
  • Гашение пиролизной камеры может произойти из-за недостаточно высокой температуры теплоносителя. Чтобы избежать этого, в некоторых случаях целесообразно установить обходную трубу. Такое решение усложнит конструкцию и сделает систему менее эффективной.
  • Во многих моделях для создания принудительной тяги используются воздушные насосы. Соответственно, котел придется подключить к электрической сети.

Рекомендации по выбору оборудования

Если вы уверены, что сможете постоянно покупать сухие дрова или самостоятельно просушивать их в домашних условиях, то можете смело покупать пиролизный котел. В противном случае следует отдать предпочтение современному оборудованию, топка которого рассчитана на пиролизное и традиционное сжигание топлива. Такое устройство может работать на дровах, влажность которых достигает 35–45%.

Если проблем с топливом нет, обратите внимание на загрузочную камеру. Сюда должны помещаться дрова размером в 55–65 см. В обеих камерах должно иметься покрытие из керамзитобетона. Благодаря ему внутри устройства поддерживается оптимальный температурный режим, что обеспечивает качественное сжигание выбранного топлива и защиту стенок изделия от прогорания.

Отзывы владельцев

Я приобрел пиролизный котел на 30 кВт прошлой осенью. Благодаря этому устройству экономия за тот отопительный сезон составила 60%. Думаю, в этом году полностью окуплю расходы на оборудование.

Игорь, Красноярск

Централизованное отопление сильно подорожало, поэтому мы с мужем решили купить пиролизный котел. Он отлично справляется с обогревом жилья, при этом загружать топливо приходится всего 1–2 раза в день. Единственная проблема – досушивание древесины. Почему-то нам никак не удается приобрести дрова влажностью не более 30%.

Ирина, Владивосток

Я купил для маленького офиса небольшой пиролизный котел на 12 кВт. Пока использовал только древесину клена. Обслуживание котла не вызывает трудностей, а сажи практически нет. Доволен покупкой и в будущем планирую приобрести такое оборудование для нескольких цехов.

Сергей, Калининград

Современные пиролизные котлы можно использовать для отопления жилья и производственных помещений. Такое оборудование очень простое в использовании, ведь оно автоматизированное. Конечно, его стоимость довольно высокая, но она окупится буквально за 2–3 отопительных сезона.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

принцип работы пиролизных котлов, преимущества и недостатки

Об экономном и эффективном отоплении мечтает каждый. Повезло больше тем, кто имеет возможность подключить газовое отопление. А остальные делают выбор между электрическими и твердотопливными котлами.

Твердотопливный котел подходит тем, кто имеет возможность постоянно подкидывать топливо. Если же у вас нет такой возможности, то применение такого котла будет проблематичным. Современные модели изготавливаются с более удобной системой подкладки топлива. Твердотопливные котлы не требуют больших средств на отопление. 

В зависимости от типа топлива и температуры в помещении на одной закладке топливо может гореть от 8 до 24 часов. Котлы, работающие на пеллетах можно проверять 1 раз в месяц. В таком оборудование подача топлива происходит автоматически. 

Но, несмотря на все преимущества, такие котлы требуют подключения электричества. И стоит такое оборудование дорого. Есть некоторые модели котлов, которые могут работать на любом виде топлива, а также на строительном мусоре. 

Содержание:

  1. Пиролиз
  2. Преимущества и недостатки
  3. Принцип работы пиролизных котлов

Пиролиз

Давно уже стало известно, что сжигание древесины не является лучшим способом. Более эффективным является сжигание древесного угля. Поэтому многие предпочитают в качестве топлива использовать уголь. Пиролиз является процессом распада органических веществ под действием высокой температуры. 

К материалу, который подвергают пиролизу, ограничивают поступление кислорода. Делают это для того чтобы термический распад материала не превратился в простое сгорание.

Раньше для ограничения поступления кислорода использовали угольные ямы. Но у такого способа есть недостаток: при первичном горении энергия уходила впустую. 

Но на сегодняшний день появились устройства, которые помогают использовать всю энергию. Такими являются пиролизные твердотопливные котлы и газогенераторы.

Преимущества и недостатки

При недостатке кислорода происходит активное выделение газов. Для того чтобы обеспечить эффективную работу котла необходимо оборудовать его автоматикой. Она управляет процессом: ограничивает подачу кислорода после разгорания дров и контролирует процесс в двух камерах.

Главным недостатком пиролизного котла является обязательное наличие электропитания. При проблемах с электричеством вы останетесь без отопления. 

Пиролизные котлы, которые предназначены для работы на древесине, могут еще сжигать брикеты.

Еще одним достоинством пиролизного котла является: при горении пиролизные котлы контактируют с углеродом. На выходе из котла в результате этого процесса дым состоит из паров воды с некоторыми примесями и углекислого газа. При применении в качества топлива дров выходить в атмосферу углекислого газа будет в 3 раза меньше. При использовании угля выбросов углекислого газа будет примерно в 5 раз меньше.

Еще к достоинствам пиролизных котлов можно отнести: малое количество образования сажи. Дожиг газа и содержащихся в нем микрочастиц является положительным моментом.
В пиролизных котлах образуется малое количество золы. А так как сажи и золы немного, то нет необходимости производить частую чистку оборудования. А это является немаленьким плюсом отопительного котла.

Отопительные котлы прямого сгорания имеют невысокйи коэффициент полезного действия. Он составляет обычно от 60 до 65%. А в пиролизных котлах КПД составляет от 80 до 90%. 

Но есть еще достоинства у данного отопительного оборудования:

  • В пиролизном процесс можно регулировать работу и оставить 30% мощности или же разогнать все 100%. А автоматика в свою очередь регулирует процесс и при этом происходит экономия топлива до 40%. В обычных котлах прямого сгорания необходимо открывать дверцы, заслонки и поддувала. И делать это необходимо самостоятельно.
  • Камера для загрузки топлива может располагаться под камерой дожига, над или под ней.

Пиролизные котлы могут иметь разную конструкцию. В некоторых моделях камеру дожига устанавливают над первичной, а в других под ней. Но и выпускаются модели где ее устраивают за первичной топкой. А также модели разделяются по подаче воздуха. В некоторые котлы воздух поддается не через колосник, а подается сверху. Таким образом, процесс горения замедляется. Но все эти нюансы являются разновидностью одной технологии. 

Принцип работы пиролизных котлов

Пиролизная камера таких котлов похожа на топку обычной печи. В качестве топлива можно использовать: опилки, пеллетные гранулы, дрова, торфяные или древесные брикеты. В загрузочное окно на огнеупорную решетку помещается твердое топливо. Такая решетка имеет название колосник. Он обеспечивает приток к топливу первичного воздуха. 

Топливо необходимо поджечь, а затем нужно ждать пока все топливо не охватиться пламенем. Таким образом, газогенераторный котел выйдет на режим. Именно это и отличает обычные котлы и печи прямого сгорания от пиролизных котлов. 

После того как пиролизный котел выйдет на режим доступ первичного воздуха ограничивается. Поэтому горение практически останавливается. Горит только небольшая часть топлива. Тепло, которое выделяется при сгорании небольшого количества топлива, хватает на разложение остального объема топлива с выделением пиролизного газа. 

Пиролизный газ обычно самотеком попадает во вторичную камеру, где осуществляется подача вторичного воздуха. При контакте с кислородом нагретый газ сразу вспыхивает и горит с выделением большого количества тепла. Газ может быть нагрет больше 300оС. Таким образом, происходит нагрев носителя тепла.

Популярными пиролизными котлами являются немецкие котлы Bosch и чешские котлы Atmos. Хоть такое оборудование и имеет немаленькую стоимость, но они отличаются своими высокими техническими характеристиками и большим сроком службы.

Читайте также:

Пиролизный котел и принцип его работы

Работа пиролизного котла основывается на особой химической реакции — пиролизе. Под данным термином подразумевается термический процесс разложения органического топлива (древесина) на газ и уголь. Процесс происходит в закрытой камере без доступа кислорода при температуре от 350* и выше.

Фактически, пиролиз (разложение и частичная газификация под действием нагревания) происходит при любом способе сжигания твёрдого органического топлива.

Устройство пиролизного котла

Пиролизный котел на дровах длительного горения




Конструкция пиролизного котла

1-Внешний кожух из кирпича М-200
2-Обвязка железным уголком
3-Загрузочный люк для дров
4-Железный котел
5-Подача вторичного воздуха
6-Трубы подачи и обратки теплоносителя
7-Зольный савок
8-Дымовая труба

Мой первый собранный пиролизный котел с автоматикой


Как известно, при горении происходят окислительные процессы, один из главных участников которых – кислород, содержащийся в воздухе. Если кислорода мало, реакция замедляется и дрова сгорают медленно, фактически в таких условиях они просто тлеют. При этом выделяется некоторое количество тепловой энергии, зола и горючий газ (Пиролиз).

Процесс пиролиза на этом не заканчивается. Полученный при сжигании первичного топливо газ смешивается с воздушными массами и также сгорает. В итоге тепловой энергии выделяет значительно больше, чем при работе стандартных теплогенераторов.

Поэтому пиролизные котлы демонстрируют очень приличный КПД по сравнению со своими чисто твердотопливными “собратьями”, а также нередко предоставляют возможность заметно сэкономить на отоплении.

Преимущество отопительной техники этого типа состоит в том, что принцип ее работы и устройства относительно не сложен. Количество воздуха, поступающего в камеры сгорания, регулируется обычной механической заслонкой. Простая конструкция обеспечивает надежность устройства, поломки для пиролизных котлов – явление не частое.

Эта схема наглядно демонстрирует все этапы процесса пиролизного горения. Температура внутри устройства может достигать 1200°С (+)

Еще один “плюс” пиролизных котлов – длительный период горения. Полная загрузка устройства топливом позволяет не вмешиваться в процесс в течение нескольких часов, иногда и более суток, т.е. нет необходимости постоянно подбрасывать дрова в топку, как это происходит при открытом горении.

Конечно, это не означает, что пиролизный котел можно оставлять без присмотра. Как и в отношении прочей отопительной техники, здесь имеются строгие правила техники безопасности.

Стоит помнить, что пиролизный котел не всеяден – влажность топлива должна быть невысокой. Иначе часть драгоценной тепловой энергии уйдет не на подогрев теплоносителя, а на высушивание топлива.

При реализации пиролизного горения топливо сгорает почти полностью, чистить устройство придется гораздо реже, чем при эксплуатации традиционного твердотопливного котла. Мелкую золу, полученную после очистки, используют в качестве удобрения. Горение топлива в таких котлах осуществляется по направлению сверху вниз.

Поэтому возможности для естественной циркуляции воздуха в топке заметно ограничены. Использование принудительного нагнетания воздуха с помощью вентилятора значительно улучшает эффективность работы устройства, но при этом делает котел энергозависимым, поскольку для работы вентилятора необходима электроэнергия.

Устройство и работа пиролизного котла

Схематичное устройство твердотопливных пиролизных топок (2 и 3)

Топка пиролизного котла разделена на два отделения. В первой сгорают дрова, а во второй производится вторичное сгорание смеси пиролизных газов и воздуха. Отделяет первую камеру от второй колосниковая решетка, на которую и укладывают топливо.

Воздух обычно нагнетается принудительно с помощью небольшого вентилятора. Хотя в небольших моделях иногда для создания тяги используют дымосос.

На этой схеме представлено устройство пиролизного котла нижнего горения. Дрова медленно сгорают при малом количестве кислорода и выделяют горючий газ (+)

Наличие принудительной вентиляции можно считать основным отличием пиролизного котла от классической твердотопливной модели. Корпус устройства состоит из двух частей, вставленных друг в друга. Пространство между стенками заполняют теплоносителем, роль которого традиционно выполняет вода.

Сначала в первое отделение топки пиролизного котла загружают топливо, затем включают вентилятор и поджигают топливо. Образующиеся в результате горючие газы перемещаются во второе отделение, смешиваются с воздухом и сгорают.

Температура горения может достигать 1200°С. Вода, находящаяся в наружном теплообменнике, нагревается и циркулирует по системе отопления дома. Остатки продуктов сгорания удаляются через дымоход.

В упрек устройствам, в работе которых используется пиролизный принцип горения, можно поставить относительно высокую цену. Обычный твердотопливный котел стоит значительно меньше. Но в котлах длительного горения дрова сгорают практически полностью, чего о классическом котле не скажешь.

К дровам для пиролизного котла предъявляют определенные требования по размерам и влажности. Подробную информацию можно найти в инструкции изготовителя

Выбирая пиролизный котел, следует помнить, что недорогие модели малой мощности обычно рассчитаны только под дрова. Дорогие модификации способны работать на разных видах топлива.

Причем загружать топливо в устройство придется по максимуму, снижение нагрузки приводит к повышенному образованию золы и сажи, а также негативно сказывается на работе агрегата в целом.

Котлы верхнего горения

Один из вариантов пиролизного устройства – котел верхнего горения. Принцип действия этих двух агрегатов очень схож.

Точно так же в топку загружают большое количество твердого топлива низкой влажности, воздух нагнетают принудительно и обеспечивают тление топлива при пониженном количестве кислорода. Задвижку, которая регулирует поток кислорода, устанавливают в нужном положении.

Схема устройства котла верхнего горения. Топка такого котла имеет глухое дно, частички продуктов горения удаляются через дымоход (+)

Но котлы длительного горения не имеют ни зольника, ни колосника. Дно представляет собой глухую металлическую плиту. Такие котлы устроены так, чтобы древесина сгорала полностью, а оставшееся в топке малое количество золы выдувалось воздухом.

Такие устройства отличаются высоким КПД и также работают при температурах более 1000°С.

Основная особенность таких устройств – они действительно обеспечивают длительный срок работы при полной загрузке. Топливная камера в таких устройствах обычно выполнена в форме цилиндра.

В нее сверху загружают топливо, сверху же, по центру, нагнетается необходимый для горения воздух.

В котлах верхнего горения устройство для нагнетания воздуха – это подвижный элемент, который опускается вниз по мере прогорания дров

Таким образом осуществляется медленное тление верхнего слоя топлива. Топливо постепенно сгорает, его уровень в топке понижается. Одновременно изменяется и положение устройства для подачи воздуха в топку, этот элемент в таких моделях подвижен и он практически лежит на верхнем слое дров.

Второй этап горения осуществляется в верхней части топки, которая отделена от нижнего отделения толстым металлическим диском. Горячие пиролизные газы, образовавшиеся в результате сгорания топлива внизу, расширяются и перемещаются вверх.

Здесь они смешиваются с воздухом и сгорают, дополнительно передавая теплообменнику солидную порцию тепловой энергии.

Балка, удерживающая диск, который разделяет камеру сгорания на две части, как и сам этот диск, в процессе работы котла верхнего сгорания постоянно находится под воздействием высокой температуры. Со временем эти элементы сгорают, их придется периодически заменять.

На выходе из второй части топливной камеры обычно установлен регулятор тяги. Это автоматический прибор, который определяет температуру теплоносителя и в зависимости от полученных данных регулирует интенсивность движения горючего газа. Он защищает устройство от возможного перегрева.

Стоит отметить, что наружный теплообменник в таких котлах реагирует на изменение скорости циркуляции жидкости в теплообменнике, т.е. на колебания температуры. На поверхности устройства сразу же образуется слой конденсата, который вызывает коррозию, особенно если речь идет о стальных котлах.

Предпочтительнее брать устройство из чугуна, которое значительно лучше сопротивляется подобному воздействию.

Хотя топливо в пиролизных котлах длительного горения должно сгорать без остатка, на практике так бывает не всегда. Порой пепел спекается, образуя частички, которые трудно удалить с помощью потока воздуха.

Если в топке накопится большое количество таких остатков, может наблюдаться заметное снижение тепловой отдачи агрегата. Поэтому котел верхнего горения следует периодически все же прочищать.

Особенность устройств этого типа в том, что по мере сгорания топлива его можно догружать, не дожидаясь сгорания всей закладки топлива. Это удобно, когда нужно избавиться от горючего бытового мусора.

Существуют также разновидности котлов верхнего горения, которые работают не только на древесном топливе, но и на угле. Сложные узлы автоматического управления в пиролизных котлах этого типа отсутствуют, поэтому серьезные поломки наблюдаются крайне редко.

Конструкция котла верхнего горения позволяет загружать топку лишь частично, если это необходимо. Однако в этом случае выполнить розжиг верхнего слоя топлива может быть не просто. Само топлива должно быть подсушенным, дрова из открытой поленницы для такого котла не подходят.

Топливо крупных фракций также не следует использовать для этого вида техники, т.е. дрова придется обязательно колоть на небольшие части.

Особенности эксплуатации газогенераторных котлов

Эффективность работы пиролизного котла во многом зависит от типа и качества топлива. Технически в топку можно загрузить не только древесину, но и уголь, и даже торф, большинство современных моделей котлов рассчитаны на использование нескольких видов топлива.

Древесина сгорает примерно за 5-6 часов, в зависимости от сорта. Чем тверже дерево, тем дольше оно горит.

Современные модели котлов пиролизного горения могут работать на различных видах древесного топлива: дровах, брикетах, пеллетах, угле, торфе и т.п.

Около десяти часов уйдет на сгорание черного угля, а такое же количество бурого угля будет тлеть в течение восьми часов. На практике самую высокую теплоотдачу пиролизная техника демонстрирует при загрузке сухим деревом. Оптимальными считаются дрова влажностью не более 20%, а длиной около 45-65 см.

Если доступа к такому топливу не имеется, можно использовать уголь или другое органическое топливо: специальные брикеты из опилок и пеллеты из древесины, отходы, полученные при обработке дерева, торф, материалы с целлюлозой и т.п.

Перед началом эксплуатации котла следует внимательно изучить рекомендации производителя устройства в отношении топлива.

В котлах пиролизного горения поступление воздуха регулируется обычными механическими задвижками. Отсутствие сложной электроники обеспечивает высокую отказоустойчивость прибора

Слишком влажное топливо в таких устройствах недопустимо. При его сгорании в топке образуются дополнительные водяные пары, которые способствуют образованию таких побочных продуктов, как деготь и копоть.

Стенки котла загрязняются, теплоотдача снижается, со временем котел может даже прекратить работу, затухнуть.

Если использовать для котла пиролизного горения дрова со слишком высокой влажностью, внутри устройства возникнут условия для образования дегтя, который ухудшит теплоотдачу устройства и может привести к поломкам

Если в топку заложено сухое топливо и котел настроен правильно, пиролизный газ, полученный в результате работы устройства, будет давать пламя желто-белого цвета. Такое горение сопровождается ничтожным выделением побочных продуктов сгорания топлива.

Если цвет пламени окрашен иначе, имеет смысл проверить качество топлива, а также настройки прибора.

Пиролизные газы, смешанные с воздухом, горят ровным желто-белым пламенем. Если цвет пламени изменился, возможно, нужно проверить настройки котла или качество топлива

В отличие от обычных твердотопливных устройств, перед загрузкой дров в пиролизные котлы, работающие на твердом топливе, топку следует разогреть.

Для этого выполняют следующие шаги:

  1. Загружают на дно топки мелкую сухую растопку (бумагу, щепу и т.п.)

  2. Поджигают ее с помощью факела из подобных материалов.

  3. Закрывают дверцу камеры сгорания.

  4. Дверцу загрузочной камеры оставляют немного приоткрытой.

  5. Добавляют порции растопку по мере ее сгорания.

  6. Процесс повторяют до тех пор, пока на дне не образуется слой тлеющих углей.

К этому моменту топка уже прогревается примерно до 500-800°С, создавая условия для загрузки основного топлива. Не следует использовать для розжига растопки бензин, керосин или любые другие подобные жидкие вещества. Перед тем, как прогревать топку котла длительного горения, следует убедиться, что устройство готово к эксплуатации.

Характерная особенность котлов пиролизного горения – малое количество золы и пепла, что облегчает процесс очистки устройства и его обслуживания

Для этого проверяют наличие тяги, герметичность дверок, исправность запорных механизмов и регулировочной аппаратуры, наличие теплоносителя в системе отопления и т.п.

Затем следует включить терморегулятор, чтобы убедиться, что на прибор поступает напряжение. После этого открывают шибер прямой тяги и вентилируют котел в течение 5-10 минут.

Обзор популярных моделей

Следует понимать, что любой пиролизный котел – это достаточно тяжелый агрегат, который не предназначен для подвешивания на стену. Такие устройства можно применять как для отопления небольшого дома, так и для просторных коттеджей. Как и другие отопительные агрегаты, котлы длительного горения различаются по мощности.

Выбирая котел пиролизного горения, следует ориентироваться на такие показатели, как тепловая мощность устройства, размеры камеры загрузки, наличие второго контура и т.п.

На этот показатель обычно и ориентируются покупатели.

Среди популярных моделей такой техники следует упомянуть:

  • Atmos (Украина) – представлены устройствами, которые могут работать и на дровах, и на угле, мощность варьируется в пределах от 14 до 75 киловатт.

  • Attack (Словакия) – способны справиться с обогревом площадей до 950 кв. м, некоторые модели способны продолжать работу даже при перебоях с электроэнергией.

  • Bosch (Германия) – высококачественная продукция известного бренда, мощность варьируется в пределах 21-38 киловатт.

  • Buderus (Германия) представлена линейками Elektromet и Logano, первая хорошо известна в Европе как классический вариант пиролизного котла, вторая – более современные версии, предназначенные для частных домов.

  • Gefest (Украина) – высокомощные устройства с КПД до 95%.

  • КТ-2Е (Россия) специально разработан для крупных жилых помещений, мощность агрегата составляет 95 киловатт.

  • Opop (Чехия) – относительно недорогие котлы, надежные и долговечные, мощность 25-45 киловатт.

  • Stropuva (производства Литвы или Украины) с мощностью от семи киловатт вполне подойдут для небольшого дома, но в модельном ряде представлены и более мощные устройства.

  • Viessmann (Германия) – идеальный выбор для частных домовладений, мощность стартует с 12 киловатт, применение современных технологий позволяет экономить топливо.

  • “Буран” (Украина) с мощностью до 40 киловатт еще один популярный вариант для владельцев больших коттеджей.

  • “Логика” (Польша) высокомощные устройства на 20 киловатт с легкостью обогревают помещения площадью до 2 тыс. кв. м, это скорее котел для промышленных нужд: обогрева цехов, офисов, теплиц и т.п.

Выбирая пиролизный котел для частного дома, следует обратить внимание на модели с двумя контурами, чтобы не только отапливать жилище, но и обеспечить его автономным горячим водоснабжением.

Теплообменник для ГВС бывает накопительного или проточного типа. Для последнего варианта используют модели котлов повышенной тепловой мощности.

При желании сэкономить средства, можно попробовать сделать пиролизный котел своими руками. Технология его сборки описана в этой статье.

теги    пиролиз   котел

Пиролизный котел своими руками – как правильно сделать – Свой дом мечты

Для создания пиролизного котла, работающего эффективно и безотказно, следует разобраться с процессами, происходящими в этом устройстве.

Пиролизом называется процесс разложения сложных веществ при воздействии высоких температур без привлечения дополнительных реагентов. Если упростить, то под воздействием нагрева происходит расщепление молекул на простые составляющие с меньшей массой. То есть при горении органического топлива в топке вещества, полученные в ходе пиролиза, сгорают легче, полнее, отдавая при этом большее количество тепла.

Принцип работы пиролизного котла

Пиролиз в чистом виде подразумевает разложение порции топлива при отсутствии доступа воздуха, который происходит в реторте. Газы, получаемые в процессе пиролиза, поступают в накопитель-ресивер и в зависимости от потребности используются. Такой принцип действия применялся в пиролизных установках, применяемых в автомобилях в период Второй мировой войны. При этом реторта нагревалась от тепла выхлопных газов.

Применение пиролиза в чистом виде имеет не высокий КПД, вследствие осаждения части горючих компонентов при остывании пиролизного газа. Эти составляющие способны поддерживать горение, но использование их в карбюраторе не представляется возможным. Также перед поездкой необходим нагрев реторты от внешнего источника тепла, а при движении следовало поддерживать давление в ней, чтобы было возможно тронуться при остановке.

Пиролизный котел

В связи с тем, что дефицита твердого топлива не было ранее, и нет сейчас, конструкция автомобильных агрегатов основывалась на газогенерации. Этот процесс происходил следующим образом: после загрузки деревянных чурок происходил их розжиг, а затем медленное тление. Источником необходимой для пиролиза температуры было частично само топливо, а пиролизные газы направлялись непосредственно в карбюратор. Во время стоянки их стравливали в воздух. Преимуществом использования принципа газогенерации в подобных установках является наличие возможности топить при движении, используя при этом любое твердое топливо.

Абсолютно все современное пиролизное котельное оборудование является газогенераторным, что дает возможность иметь КПД на уровне 65-70%. При этом нет никакой ошибки в названии, так как свыше 90% энергии получается при пиролизном сгорании газов. По сути, пиролиз и газогенерация являются синонимами, обозначающими один и тот же процесс.

На заметку: принято считать котел пиролизным в случае наличия длительного процесса горения в нем твердого топлива. В них основное количество тепловой энергии вырабатывается при протекании процесса пиролиза. Масляные устройства длительного горения производят более 50% энергии за счет пиролиза легких фракций, а тяжелые при этом оседают в виде шлама. Таким образом, печи, работающие на масле называть пиролизными можно при очень большом допущении.

Терминология

Печники выражаются на собственном языке, который, порой, не понятен остальным людям. Так, хайло не является бранным словом, а представляет собой устье топки, сооруженное по определенной конструкции. Боров представляет собой горизонтальная часть дымохода, шибер – это заслонка, которая необходима для регуляции воздушных потоков и дыма. В случае пиролизного котла газоход и дымоход являются различными понятиями. В первом из них не происходит никаких процессов, а во втором продолжают происходить термохимические реакции.

Пиролизный котел в разрезе

Принципы работы

Все котлы, работающие по принципу пиролиза, функционируют одинаково:

  • В камере, где происходит газификация, идет процесс тления топлива. В нее поступает снаружи первичный воздух.
  • Некоторый объем кислорода, присутствующего в нем, тратиться на то, чтобы тление не прекращалось и обеспечивало требуемую для газификации температуру.
  • Проходящие хайло газы, выделяемые при пиролизе, перемещаются в камеру сгорания.
  • В нее же происходит поступление вторичного воздуха, и идет процесс горения пиролизных газов.
  • В присутствии катализатора, в качестве которого выступает углерод топлива, идет восстановительная реакция части пиролизного газа. Результатом ее является угарный газ и окислы азота. Этот процесс требует затрат тепловой энергии.
  • В камере дожигания компоненты, полученные при восстановлении, окисляются с выделением тепла.
  • Продукты горения, вступившие в реакцию, движутся по теплообменнику водогрейного регистра, а затем направляются в дымоход.
  • Для поддержания требуемой температуры, при которой происходит полное сгорание, служит специальная терморегулирующая система.

Пиролизный котел

На заметку: если производить отбор тепловой энергии в процессе стадий работы аппарата, когда происходит газификация, сгорание и догорание, то существенно снижается КПД теплотехнического устройства. В ходе процесса, осуществляемого таким образом, имеет место образование газов, которые не только вредны, но и опасны. Количества тепла, циркулирующего в пиролизном котле, значительно больше, чем требуется для самоподдержания процесса. Поэтому проектирование пиролизных котлов для исполнения своими руками должно происходить с пониманием процессов, происходящих в нем, чтобы не создать не только неэффективное, но и опасное устройство.

Режимы работы пиролизного котла

Розжиг

На этом этапе нужно, чтобы шибер находился в открытом состоянии. Продукты горения движутся непосредственно в дымоход

Рабочий режим

Устройство работает при закрытой заслонке, обеспечивая, таким образом, протекание процесс пиролиза. Создание тяги в газоходе достигается принудительным образом или естественным путем.

Догрузка топлива

В этот момент шибер закрыт, но тяга в газоходе еще присутствует на протяжении некоторого времени. Процесс пиролиза не заканчивается. Догрузка топлива должна осуществляться как можно быстро, так как в противном случае оно может просто сгореть.

Принцип работы

Преимущества и недостатки

К преимуществам пиролизных котлов относят:

  • Принцип действия устройства позволяет высокого достичь КПД до 85%, так как топливо сжигается практически без остатка.
  • Суточная загрузка топлива производится не более двух раз в сутки.
  • Экономия топлива достигается возможностью производить регулировку подачи тепла в отапливаемое помещение.
  • Экологичность отопительного прибора.

Пиролизные котлы, применяемые в быту, являются требовательными агрегатами:

  • Обезводненное топливо свыше 30% резко снижает КПД. Это объясняется необходимостью расходовать дополнительно энергию на испарение и разложение водяного пара.
  • Технические характеристики котла, полученные расчетным путем, могут быть достигнуты только в случае применения топлива, которое имеет в своем составе значительное количество сложных органических соединений.
  • В процессе горения образуется сильная струя газов, которая обладает высокой химической активностью. Этот фактор обуславливает необходимость использования для устройства камеры сгорания высококачественных материалов.
  • Небольшой предел регулировки по мощности. Предел форсирования котла составляет максимум 50%.
  • Существенная стоимость.

Стандартное устройство пиролизного котла

Пиролиз

Конструкция пиролизного котла предусматривает наличие двух камер сгорания. Такая особенность устройства позволяет максимально полно использовать эффект пиролиза.

Первая камера служит для загрузки топлива и его пиролиза. В ней идут процессы разложения органических соединений, в результате чего образуется зола и пиролизные газы, которые перемещаются во вторую камеру.

Камеры между собой разделяются при помощи колосника.

Кроме этого, характерной особенностью пиролизного котла является создание верхнего дутья. В связи с тем, что процессы в топке сопровождаются повышенным аэродинамическим сопротивлением, возникает необходимость в организации принудительной тяги. Для этой цели применяются дымососы или вентиляторы.

Установка и требования к конструкции: рекомендации специалистов

Высокий уровень пожароопасности этого теплотехнического агрегата подразумевает выполнения ряда требований при монтаже пиролизного котла:

  • Размещаться котельное оборудование должно в отдельном специально предназначенном для него помещении.
  • Для безопасной эксплуатации необходимо соорудить вентиляционное отверстие площадью 100 кв. см.
  • Установка котла должна осуществляться на фундамент, выполненный из кирпича или бетона.
  • Должна быть обустроена защита топочных камер из листовой стали.
  • Обязательно должно иметься свободное пространство между предметами мебели, стенами и кожухом котла минимум 200 мм.
  • Необходимо провести мероприятия по утеплению дымохода. При невыполнении этого условия потери тепла неизбежны. Кроме этого, отсутствие надежной теплоизоляции станет причиной повышенного износа и поломок устройства из-за возникновения нагара и конденсата.

Пиролизный котел

Пиролизный котел своими руками

Рост популярности пиролизных котлов обусловлен рядом преимуществ этого отопительного прибора, одним из которых, помимо всего прочего, является независимость от снабжения жилища газом. Высокая стоимость заводских экземпляров техники дало толчок к изготовлению пиролизных котлов своими силами.

Выбираем инструменты и материалы

Перед сборкой пиролизного котла необходимо определиться с типом устройства, его конструктивными особенностями и подобрать подходящий типовой проект конструкции.

Для создания пиролизного котла потребуются:

  • стальная толстостенная труба;
  • листовая сталь толщиной 4 мм;
  • профильные трубы;
  • круглый прокат диаметром 20 мм;
  • вентилятор центробежного типа;
  • шамотный кирпич;
  • терморегулирующая автоматика;
  • гайки, болты, шайбы.

Минимальный набор инструментов для сборочных работ состоит из:

  • сварочный аппарат для дуговой электросварки;
  • болгарка;
  • электродрель;
  • комплект слесарных инструментов.

Схема сборки

Для определения точного количества материалов для пиролизного котла необходимо воспользоваться чертежами, которые можно найти в справочной литературе. Не имеет смысла самостоятельно создавать конструкцию устройства, достаточно подобрать наиболее подходящую из уже имеющихся. В схеме пиролизного котла должны быть обозначены: топка, теплообменник и организация подачи воды.

Схема сборки

Пиролизная печь как альтернатива котлу

Специалисты считают, что изготовление пиролизных котлов малой мощности нецелесообразно. Поэтому в домах с небольшой площадью при отсутствии возможности электрического или газового отопления, подходящим вариантом является сооружение пиролизной печи. Принцип работы такого устройства подобен тому, что используется в котлах при сгорании твердого топлива.

Сооружение классического варианта печи из кирпича, оборудованной водяным контуром является хорошим техническим решением проблемы организации отопления. Подобная конструкция объединяет преимущества двух агрегатов: традиционной печи и котла длительного горения.

Пиролизная печь

Устройство и принцип работы

По мере того, как технико-строительные характеристики котельного оборудования расширяются и его функциональные возможности. В каждом сегменте отопительных агрегатов сегодня представлены пиролизные модели, версии с поддержкой контуров горячего водоснабжения (ГВС), а также системы с возможностью длительного горения. Очевидно, что существуют и комбинированные котлы, сочетающие в себе весь перечень современных идей для такого рода оборудования. На практике пиролизный котел длительного горения с водяным контуром дает массу преимуществ рядовым владельцам дач и загородных домов, стремящихся обеспечить себя теплом и горячей водой.

Устройство котла

Типовая конструкция включает две топочные камеры, теплообменник и зольник. Это базовый набор функциональных элементов, обеспечивающих процессы загрузки топлива, подогрев водовода и сбор продуктов сгорания. В остальном, в зависимости от модификации, устройство агрегата может быть изменено с ориентацией на определенные функциональные дополнения. Например, можно дополнительно интегрировать конденсатор, представляющий собой теплоизоляционный бак. В нем накапливается тепловая энергия для последующего возврата в водяной контур.

Обязательная часть технической инфраструктуры котла — дымоходная система. Это канал отвода продуктов сгорания газа, работа которого характеризуется тяговым усилием — то есть скоростью отвода дыма. С помощью специальной заслонки-заслонки можно регулировать мощность дымохода, к которому подключается пиролизный котел длительного горения. В отзывах отмечается, что очень важно соблюдать баланс в регулировании дымоудаления.Дело в том, что котлы с длительным сгоранием топлива характеризуются длительным и динамичным процессом работы, поэтому в течение всего сеанса может потребоваться многократная регулировка пропускной способности канала. Соблюдение требуется для того, чтобы воздушные массы не «ходили» по дымоходу, а выхлопные газы торчали наружу.

Принцип работы системы пиролиза

Концепция пиролизных нагревательных устройств довольно проста, но на практике дает существенное преимущество в виде повышения КПД.Для начала стоит подчеркнуть отличие конструкции таких котлов от технического устройства обычных твердотопливных систем. Как было сказано выше, в котле две камеры сгорания — это особенность оборудования. Один выполняет традиционную задачу по организации места для сжигания топлива, а второй просто обеспечивает эффект пиролиза. Что это такое? Если первая камера извлекает энергию, например, непосредственно из древесины, то вторая перерабатывает газ, выделяющийся при первичном сгорании.В отличие от первой стадии сгорания, процесс пиролиза включает смешивание кислорода для увеличения эффективности накопления тепловой энергии. По сути, реализуется принцип двойной обработки одной и той же партии топлива, что, несомненно, положительно сказывается на экономичности и производительности котла.

Принцип работы систем длительного горения

В отличие от системы пиролиза, идея поддержания длительного горения не требует кардинального изменения конструкции агрегата.Однако есть изменения в параметрах. В первую очередь такой котел оснащен большой камерой сгорания. То есть в комбинированном варианте сжигание дров можно проводить в массивном отсеке, а дожиг газов — в небольшой соседней топке. Например, если обычные котлы имеют размер камеры 30-50 см, концепция длительного горения потребует использования топок не менее 60 см. Что еще более важно, устройство и принцип работы пиролизных котлов ориентированы на широкие возможности регулирования процесса горения.Это достигается за счет более функциональной, а иногда и автоматизированной грифельной системы, то есть регулятора пропускной способности дымохода. Этот механизм отвечает за интенсивность горения за счет уменьшения или увеличения количества поступающего кислорода. К достоинствам этой системы можно отнести возможность рационального расхода тепла от одной кладки и отсутствие необходимости частой замены топливного материала.

ГВС в котле

Инфраструктура оборудования для приготовления горячей воды сформирована с помощью трех компонентов — теплообменника, бойлера и циркуляционных каналов.В теплообменнике происходит прямой нагрев воды под действием тепловой энергии, которая вырабатывается при сгорании топлива. Кстати, использование бойлера специально для функции ГВС в некоторых системах с автоматическим управлением дает возможность выключить оборудование сразу после регулировки температуры воды на нужный режим. Готовая вода направляется либо в котел, либо напрямую потребителям. Современный твердотопливный котел с водяным контуром и бойлером позволяет вмещать около 30-50 литров горячей воды для самых разных нужд.Если требуется более вместительное хранилище, то необходимо с самого начала выбрать отдельные котлы, которые не являются частью единой конструкции котла, а связаны через свои каналы связи. Такой бак может вмещать до 200 литров, а промышленные модели — около 500 литров.

Пиролиз: устойчивый способ получения энергии из отходов

1. Введение

Лигноцеллюлозная биомасса считается многообещающим экологически чистым заменителем топлива и химикатов на основе углерода.Существующие глобальные поставки энергии зависят от невозобновляемых видов топлива, таких как нефть, газ и уголь, которые образуются естественным образом под земной корой. Однако сейчас количество ископаемого топлива ограничено. Из-за растущего населения мира увеличивается потребление энергии на душу населения. Таким образом, очевидна неизбежность продолжения альтернативы для генерации возможных источников энергии. Исследователи уделяют большое внимание использованию биомассы для производства продуктов с добавленной стоимостью. Кроме того, неорганическая составляющая биомассы незначительна и содержит незначительное количество азота, серы и золы.Таким образом, сжигание биотоплива является выгодным, поскольку оно производит менее токсичный газ, такой как оксиды азота (NO x ), диоксид серы (SO 2 ) и дым по сравнению с другими традиционными видами топлива. Даже выбросы углекислого газа (CO 2 ) можно контролировать, повторно используя его путем фотосинтеза [1]. Хотя многие теоретические методы были применены для преобразования в краткосрочной перспективе; требуются практические этапы применения и демонстрация с соответствующим расчетом материального и энергетического баланса.Налажено промышленное термохимическое производство жидкостей, бионефти с помощью быстрого или мгновенного пиролиза, но до сих пор не реализовано для коммерциализации общей практики.

Для преобразования биомассы в продукты с добавленной стоимостью были приняты различные типы термохимических и даже биологических процессов. Среди этих процессов пиролиз более удобен, поскольку он имеет несколько преимуществ хранения, транспортировки и гибкости в обращении, таких как турбины, устройства сгорания, котлы, двигатели и т. Д.В некоторых случаях твердую биомассу и отходы сложно переработать для исследования пиролиза. До сих пор он находится на предварительной стадии с точки зрения расширения и все же требует устранения многочисленных практических препятствий для борьбы с традиционными процедурами, ориентированными на ископаемое топливо [2, 3]. Получение жидкого биотоплива, включая другие продукты, такие как твердый уголь и газ, путем пиролиза различных остатков лигноцеллюлозы, было всесторонне исследовано ранее. Некоторые из этих видов биомассы — это древесина бука [4], жома [5], древесная биомасса [6, 7], солома [8], жмыхи [9] и твердые бытовые отходы (ТБО) [10, 11].На рисунке 1 показаны различные типы существующих процессов преобразования биомассы с соответствующими выходными данными.

Рис. 1.

Процесс преобразования биомассы для получения продуктов с добавленной стоимостью.

Пиролиз определяется как термическое разложение производных лигноцеллюлозы в инертных условиях в среде с дефицитом кислорода. Это слово происходит от двух греческих слов: «пиро», что означает огонь, и «лизис», что означает распад на составные части. Технология пиролиза очень старая, и раньше она была впервые использована для приготовления древесного угля на Ближнем Востоке и в Южной Европе до 5500 лет назад [12].Египтяне использовали эту технику для производства смолы для запечатывания лодок [13]. Впоследствии практика процессов пиролиза расширилась и широко применяется для производства древесного угля и кокса. Сжигание древесного угля может производить интенсивно высокую температуру плавления олова с медью с получением бронзы. Следовательно, пиролиз получает дальнейшее рассмотрение как эффективный метод преобразования биомассы в бионефть на протяжении современных эпох [14]. Конечная цель пиролиза — получение ценных энергетических продуктов для борьбы с невозобновляемыми ископаемыми видами топлива и постепенного вытеснения их.Тем не менее, распространение прогрессивных ноу-хау является следующей задачей для исследователей в достижении поставленных целей. Требуется превратить биомассу в биотопливо для непрерывного использования в транспортных средствах, поездах, кораблях и самолетах для замены дизельного топлива и бензина [15, 16]. Дополнительное усовершенствование технологии пиролиза позволяет производить твердое топливо, такое как уголь или углеродсодержащие материалы, синтез-газ и т. Д. Обычно установка системы пиролиза содержит оборудование для предварительной обработки остатков лигноцеллюлозы, реактор пиролиза и последующую установку для последующей обработки.В основном его можно классифицировать как агрегаты, производящие только тепло и биоуголь (с использованием медленного пиролиза), или агрегаты, производящие биоуголь и биомасла (с использованием быстрого пиролиза). На рисунке 2 представлена ​​простая компоновка пиролизной установки с ее основными продуктами.

Рис. 2.

Упрощенная блок-схема типовой установки пиролиза. (а) Производство биоугля и бионефти. (б) Биочар и производство тепла.

В последние годы было проведено большое количество исследований термохимического преобразования биомассы в биотопливо (биомасло, биочар и биогаз) с использованием технологии пиролиза.По сравнению с другими технологиями термохимической конверсии процесс пиролиза имеет множество преимуществ, основанных на оптимизации параметров процесса. Однако эта технология все еще нуждается в обновлении с точки зрения ее коммерческих приложений. В этой главе особое внимание уделялось обсуждению текущего состояния технологии пиролиза и ее перспектив для коммерческого применения для производства биотоплива, синтез-газа и биоугля. Представлены такие аспекты технологии пиролиза, как типы пиролиза, принципы пиролиза, состав и характеристики биомассы, конструкция реактора пиролиза, продукты пиролиза и их физико-химические свойства, а также экономика производства биотоплива.Мы указали на некоторые неотъемлемые свойства биомасла, которые вызывают осложнения при конечном использовании продуктов. Наконец, мы кратко рассмотрим некоторые процессы, включая процесс каталитического пиролиза, которые нацелены на повышение ценности бионефти путем преобразования в более ценные жидкие топливные продукты.

2. Основные принципы пиролиза

Процесс термического разложения при пиролизе с использованием лигноцеллюлозной биомассы происходит в отсутствие кислорода в инертной атмосфере. В качестве инертной атмосферы обычно требуется поток газообразного аргона или азота.Основная химическая реакция очень сложна и состоит из нескольких этапов. Конечные продукты пиролиза биомассы состоят из биоугля, био-масла и газов. В процессе пиролиза в основном выделяются метан, водород, оксид углерода и диоксид углерода. Органические материалы, присутствующие в субстрате биомассы, начинают разлагаться при температуре около 350–550 ° C и могут продолжаться до 700–800 ° C без присутствия воздуха / кислорода [17, 18]. Биомасса в основном состоит из длинной полимерной цепи целлюлозы, лигнина, гемицеллюлозы, пектина и других.Более крупные молекулы органических материалов начинают разлагаться с образованием более мелких молекул, которые выделяются из технологического потока в виде газов, конденсируемых паров (смол и масел) и твердого угля в процессе пиролиза. Доля каждого конечного продукта зависит от температуры, времени, скорости нагрева и давления, типов прекурсоров, конструкции и конфигурации реактора. На рис. 3 показан процесс разложения основных остатков лигноцеллюлозы при различных температурах. Влажность биомассы также играет жизненно важную роль в процессах пиролиза.Влажность сырья во время процесса быстрого пиролиза должна составлять около 10% [18]. Из-за высокого содержания влаги основные продукты становятся жидкими, а при низком уровне воды высок риск того, что в процессе будет образовываться огромное количество пыли вместо масла. Таким образом, ил, полученный из потока отходов и отходов мясопереработки, требует сушки, прежде чем подвергать их окончательному воздействию среды пиролиза. Менее 450 ° C при медленной скорости нагрева, основной выход — биоуголь. Однако при более высокой температуре, превышающей 800 ° C, при высокой скорости нагрева образуется большая часть золы и газообразных продуктов.Бионефть можно производить при промежуточной температуре с использованием относительно высоких скоростей нагрева. В начале процесса около температуры 250–300 ° C летучие вещества высвобождаются почти в 10 раз быстрее, чем на последующем этапе [20].

Рис. 3.

Поведение при разложении компонентов биомассы при разной температуре [19].

Древесная биомасса изначально использовалась для производства древесного угля. Уголь на основе древесины при нагревании выделяет незначительное количество дыма.Ранее он широко использовался для плавки руды с целью извлечения железа. Однако у этого процесса были недостатки, заключающиеся в меньшем проценте урожая, меньшем количестве энергии и чрезмерном загрязнении воздуха. После этого была разработана современная технология извлечения максимально возможной энергии из биомассы с помощью сжигания (экзотермического), газификации (экзотермического) и пиролиза (эндотермического) [21]. Сжигание — это сжигание биомассы в присутствии кислорода для получения тепла. Компетентность этой практики не вызывает нареканий [22, 23]. Газификация также происходит в насыщенной кислородом атмосфере, что дает газообразное топливо.Тем не менее, пиролиз является ведущей фазой как для процессов газификации, так и для сжигания [24, 25]. Следовательно, пиролиз можно рассматривать как часть газификации и сжигания [26]. Выход продуктов разложения биомассы при пиролизе представлен на Рисунке 4 [27].

Рисунок 4.

Продукты разложения пиролиза биомассы [27].

В таблице 1 приведен список основных реакций пиролиза при различных температурах.

Температура Тип реакции Конечные продукты
Менее 350 ° C Потеря влаги, деполимеризация, образование свободных радикалов Производство карбонильных и карбоксильных групп, CO и CO 2 выделение газа, образование биоугля
Между 350 ° C и 450 ° C Замена для разрыва гликозидной цепи полисахарида Производство смолы, содержащей левоглюкозан, ангидриды и олигосахариды
Выше 450 ° C Дегидратация, перегруппировка и деление сахарных единиц Производство ацетальдегида, глиоксалина и акролеина
Выше 500 ° C Смесь всех вышеуказанных процессов Смесь всех вышеуказанных продуктов
Конденсация Конденсация ненасыщенных продуктов и прилепиться к углю A высоко r остаток активного угля, содержащий захваченные свободные радикалы

Таблица 1.

Реакции пиролиза при разной температуре [28].

3. Сырье для лигноцеллюлозной биомассы

3.1. Тип и состав сырья биомассы

Структура биомассы сложна и обычно состоит из трех основных природных биомакромолекул: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Кроме того, он также содержит экстрактивные вещества и некоторые минералы. Доля и эти основные составляющие варьируются от биомассы к биомассе [11, 29, 30]. Во время пиролиза целлюлоза и гемицеллюлоза выделяют конденсируемые пары или жидкости и газ.Лигнин разлагается с образованием жидкого, газообразного и твердого полукокса. Экстракты также производят жидкость и газ из-за простого улетучивания или разложения. Зольная фракция внутри обугленной матрицы содержит минералы. Это распределение компонентов по продуктам схематично показано на рисунке 5.

Рисунок 5.

Распределение продуктов во время пиролиза [29].

Пары, образующиеся при первоначальном разложении биомассы, подвергаются вторичным реакциям с образованием сажи, которая также изменяется из-за медленного и быстрого процесса пиролиза.Щелочные металлы действуют как катализатор, увеличивая выход полукокса. Присутствие минералов влияет на воспламеняющие свойства матрицы биоугля [11]. Было замечено, что био-масло в основном получают из целлюлозного субстрата при температуре около 500 ° C [31], тогда как биочар можно экстрагировать из лигнина. Таким образом, субстрат биомассы, который содержит большую долю производных лигнина, может давать больший выход биомасла. В таблице 2 приведен список выбранной биомассы, содержащей различное количество целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнинового субстрата [11, 32–37].

Сырье Лигнин (%) Целлюлоза (%) Гемицеллюлоза (%)
Древесина 25–30 35–50 20–30
Пшеничная солома 15–20 33–40 20–25
Переменная трава 5–20 30–50 10–40
Жмых сахарного тростника 23–32 19–24 32–48
Мискантус 17 24 44
Кукурузная солома 16–21 28 35
Скорлупа фундука 42.9 28,8 30,4
Оливковая шелуха 48,4 24 23,6
Початок кукурузы 15 50,5 31
Отходы чая 40 30,20 19,9
Скорлупа грецкого ореха 52,3 25,6 22,7
Скорлупа миндаля 20,4 50,7 28,9
Скорлупа подсолнечника 17 48.4 34,6
Скорлупа ореха 30–40 25–30 25–30
Бумага 0–15 85–99 0
Рисовая солома 18 32,1 24
Хранимые отходы 20 60 20
Листья 0 15–20 80–85
Волосы семян хлопка 0 80–95 5–20
Солома ячменя 14–15 31–34 24–29
Солома овсяная 16–19 31–37 24–29
Бамбук 21–31 26–43 15–26
Ржаная солома 16–19 33–35 27–30
Прибрежные Бермудские острова трава 6.4 25 35,7
Джутовое волокно 21–26 45–53 18–21
Банановые отходы 14 13,2 14,8

Таблица 2

Химический компонент выбранной биомассы.

3.2. Физиохимические свойства биомассы

Исходя из параметров процесса и конструкции реактора, наличие влаги может иметь значительное влияние на выход продуктов [11].Процесс производства древесного угля состоит из двух отдельных этапов: сушки и пиролиза. Во время начальной фазы сушки объединенная вода в порах, представленная свободной водой, удаляется при температуре около 110 ° C. Чем больше воды присутствует, тем больше энергии требуется для испарения. После этого между температурами 150 и 200 ° C количество воды, содержащейся в целлюлозной цепочке древесины, уменьшится. На ранней стадии карбонизации вода испаряется в виде белого дыма из угольной печи. Процесс быстрого пиролиза эффективен для сушки сырья, так что скорость повышения температуры не ограничивается испарением воды [38].Обычно в древесине содержится 15–20% влаги [11]. При производстве активированного угля влага также может существенно повлиять на свойства конечного образца угля [39]. Размер частиц матрицы биомассы будет иметь большее влияние на выход полукокса и жидкости. Большая часть полукокса образуется при больших размерах частиц. Более крупные частицы ограничивают скорость распада, что приводит к увеличению объема вторичной реакции обугливания [11]. Таким образом, частицы большего размера хороши для получения большего выхода углерода, тогда как частицы меньшего размера требуются для максимизации жидких фракций в процессе быстрого пиролиза.Более высокая доля лигнина и связанного углерода также может способствовать лучшему выходу субстрата из биоугля, если пиролиз проводится при средней температуре 500 ° C, тогда как более высокий процент летучих материалов может дать более высокий выход биомасла и синтез-газа (Таблица 3) [28 ]. Следовательно, такие прекурсоры, как скорлупа лесного ореха, косточка оливы, скорлупа грецкого ореха, лучше подходят для производства биоугля хорошего качества из-за содержания в них лигнина (Таблица 2). Биомасса, такая как солома зерновых, травы, энергетические культуры, такие как древесная биомасса, погибающая из-за низкого содержания минералов и азота, подходит для производства биомасла и синтез-газа (Таблица 4) [40].

Сырье Плотность (кг / м 3 ) Содержание влаги (%) Зольность (%) Летучие вещества (%) Связанный углерод (%) )
Дерево 1186 20 0,4–1 82 17
Битуминозный уголь 11 8–11 35 45
Гибридный полярный150 45 0.5–2
Просо 108 13–15 4,5–5,8
Мискантус 70–100 11,5 1,5– 4,5 66,8 15,9
Багаж из сахарного тростника 1198 3,2–5,5
Солома ячменя 210 30 6 46 18
Пшеничная солома 1233 16 4 59 21
Датская сосна 8 1.6 71,6 19
Рисовая солома 200 6 4,3 79 10,7
Дрова 7,74 1,98 80,86 17,16
Grateloupia filicina 4,93 22,37 55,93 17.01
Береза ​​ 125 18,9 0,004 20
Сосна 124 0.03 16
Polar 120 16,8 0,007

Таблица 3.

Физические свойства выбранной биомассы [41–44].

трава

Сырье Углерод (%) Водород (%) Кислород (%) Азот (%) Зола (%)
Древесина 51.6 6,3 41,5 0,1 1
Cypress 55 6,5 38,1 0,4
Оливковый багаж 66,9 9,2 21,9 2
Солома пшеницы 48,5 5,5 3,9 0,3 4
Солома ячменя 45,7 6.1 38,3 0,4 6
Шотландцы 56,4 6,3 0,1 0,09
Береза ​​ 44 6,9 49 0,1 0,004
Сосна 45,7 7 47 0,1 0,03
Полярный 48,1 5,30 46,10 0.14 0,007
Ива 47,78 5,90 46,10 0,31 1,30
Просо 44,77 5,79 49,13 0,31 4,30
45,36 5,81 48,49 0,34 5,10
Dactylis lomarata 42,96 5,70 49.44 1,90 7,50
Festuca arundinacea 42,22 5,64 50,65 1,50 7,30
Lolium perenne 43,12 5,80 43,12 5,80

Таблица 4.

Химические характеристики некоторых выбранных материалов биомассы [35, 41, 44].

В зависимости от состава, физико-химических свойств, а также механизма трансформации остатки лигноцеллюлозы могут давать различные продукты с добавленной стоимостью, как показано на Рисунке 6.

Рис. 6.

Преобразование биомассы в продукты с добавленной стоимостью.

3.3. Управление температурным профилем и теплотворной способностью биомассы

Для оптимизации выхода продукта наиболее важным фактором является контроль температурного профиля, поскольку он может частично влиять на давление, скорость нагрева, пиковую температуру и время контакта между твердой и газовой фазами. Для минимизации вторичных реакций при быстром пиролизе требуется высокая скорость нагрева и охлаждения.Это снизит выход жидкости, но качество продукта снизится. Даже это даст более сложную смесь с более высокой вязкостью [38]. С другой стороны, медленный процесс пиролиза использует медленные скорости нагрева, которые приводят к более высокому выходу полукокса, но это не согласуется [11]. Более высокая температура может обеспечить выделение более летучих фракций для увеличения содержания углерода в полукоксе. Однако более длительное время пребывания при более высокой температуре значительно снизит выход продукта. Влияние температуры на жидкую и газообразную фракции гораздо сложнее.Когда температура пиролиза достигает 400–550 ° C, выход жидкости выше. Выше этой температуры протекают вторичные реакции за счет разложения конденсируемого пара, что в итоге дает меньшие жидкие фракции. Для быстрого пиролиза максимальная жидкость получается около 500 ° C [18]. Сообщалось также, что выход жидкости составлял 28–41% при температурах от 377 до 577 ° C, в зависимости от сырья в процессе медленного пиролиза [13]. Около 42–45% жидких фракций было получено при температуре 385–400 ° C с использованием различных кормов из соломы [45].

3.4. Влияние скорости потока газа

Скорость потока газа в процессе пиролиза влияет на степень вторичного обугливания. Более низкая скорость потока благоприятна для образования полукокса во время процесса медленного пиролиза, тогда как более высокие потоки газа обеспечиваются во время процесса быстрого пиролиза для эффективного удаления паров, как только они образуются. Более высокое давление усиливает активность паров внутри реактора и на поверхности частиц угля, что увеличивает вторичное образование угля.И наоборот, пиролиз в вакууме дает мало полукокса и дает больше жидких фракций. При пиролизе под давлением влага в паровой фазе может систематически увеличивать образование углерода. Потому что в этом случае вода действует как катализатор, уменьшая энергию активации реакций пиролиза [46]. Скорость потока газа существенно влияет на термодинамику процесса. При более высоком давлении реакция более экзотермична при более низких расходах газа. Более высокие выходы полукокса могут быть обеспечены, когда процесс пиролиза является экзотермическим, и такие условия будут способствовать общему энергетическому балансу процессов, в которых углерод или полукокс являются основным продуктом.Таким образом, можно сделать вывод, что любой фактор условий пиролиза, который увеличивает контакт между первичными парами и поверхностью горячего полукокса, включая высокое давление, меньшую скорость потока газа, больший размер частиц или медленный нагрев, как ожидается, будет способствовать образованию полукокса с более низким содержанием жидкости. Уступать.

4. Существующий процесс пиролиза

4.1. Быстрый пиролиз

4.1.1. Пиролиз на чердаке

Пиролиз, особенно пиролиз угля, — это вековая деятельность, но пиролиз биомассы — это совершенно новое явление.Процесс направлен на производство биотоплива. В чердачном процессе твердые отходы (биомасса) могут смешиваться с горячим углем и горячим рециркулирующим газом в специально разработанной камере. Затем следует пиролиз при высокой температуре, обычно выше 800 ° C, и времени выдержки около 10 с. После пиролиза полукокс удаляют, а жидкую часть собирают. Образовавшаяся смола затем отделяется и дополнительно обрабатывается для получения технологического тепла, а также сырья для дальнейшего пиролиза.Обычно ожидается, что процесс приведет к получению не менее 40% жидкости, но было обнаружено, что дает больше газа при температуре и времени карбонизации, что делает процесс неэкономичным [47]. Весь процесс можно кратко разделить на три основных этапа: формирование турбулентного газового потока путем смешивания газа-носителя, твердой биомассы и горячего полукокса с использованием специально разработанной зоны смешивания, пропускания газообразного пара в камеру пиролиза и прохождения пиролиза. при температуре около 800 ° C в течение около 10 с и, наконец, удаление потока пиролизованного газа из камеры пиролиза [47].

4.1.2. Технологический институт Джорджии. Процесс с увлеченным слоем

В этом процессе основное сырье (биомасса) измельчается и просеивается на частицы размером около 1 мм. Затем предшественник сушат до содержания влаги примерно 10% и подают в реактор, где он подвергается пиролизу с использованием предварительно нагретого инертного газа. При температуре пиролиза около 500 ° C ожидается максимальный выход около 50% жидкости и 30% газа. Время выдержки карбонизации обычно рассчитывается на основе высоты реактора и расхода газа, но обычно составляет несколько секунд [48].Одной из основных проблем этого метода является низкое количество тепла, выделяемого увлекающим газом, что обычно приводит к низкому выходу жидкости, поскольку биомасса требует большого количества тепла для высокого выхода жидкости. Другая проблема заключается в том, что свежие твердые отходы оказывают каталитическое воздействие на крекинг бионефти, что приводит к образованию большего количества полукокса и газа [49].

4.2. Процессы пиролиза в псевдоожиженном слое

Процесс пиролиза в псевдоожиженном слое обладает превосходными массообменными характеристиками, так как он предлагает эффективные и высокоэффективные средства нагрева мелко измельченной биомассы быстрым способом для достижения температуры пиролиза до желаемого уровня.Это хорошо зарекомендовавший себя метод пиролиза, который можно использовать в крупномасштабном процессе пиролиза, поскольку он способен обрабатывать сотни тонн биомассы в день. Преимущества этого метода по сравнению с обычным методом пиролиза включают улучшенные характеристики системы, а также более низкую вязкость в сочетании с более высоким содержанием энергии в производимой биомасле.

4.2.1. Процесс мгновенного пиролиза в Ватерлоо (WFPP)

Процесс мгновенного пиролиза в Ватерлоо включает производство органических жидкостей из материалов биомассы с использованием постоянного атмосферного давления в отсутствие кислорода.Как правило, это тщательно контролируемый процесс, обеспечивающий высокий выход жидкости. Этот процесс был широко продемонстрирован с использованием твердых отходов древесины твердых пород для получения жидких органических веществ с выходом до 70% исходного материала [50]. Это процесс, в котором реактор пиролиза работает по очень уникальному принципу, при котором не допускается накопление полукокса в слое, в то время как обработка песка может не потребоваться. Одним из больших преимуществ процесса является то, что получаемый жидкий продукт обычно кислый и легко разливается с относительной стабильностью [51].

4.2.2. RTI-процесс

Чтобы удовлетворить определенные критерии, которые не были удовлетворены другими методами быстрого пиролиза, был разработан RTI-процесс. Это включает использование глубокого псевдоожиженного слоя с использованием очень низких температур с умеренными скоростями нагрева и относительно длительным временем выдержки пиролиза. Удовлетворительные результаты были получены при пиролизе большей части биомассы с использованием этой технологии, которая эффективно приводит к высокому выходу жидкости в диапазоне температур от 400 до 450 ° C с временем выдержки летучих около 0.8 с [52]. В качестве теплоносителя слоя обычно используется мелкий песок. Это обеспечивает очень низкий расход газа, что в сочетании с косвенным нагревом приводит к очень эффективному тепловому КПД. Это очень большое преимущество с экономической точки зрения, если учесть капитальные и эксплуатационные затраты [52].

4.2.3. Динамотивный процесс

Эта технология, внедренная в 1991 году, направлена ​​на производство продуктов с добавленной стоимостью из бионефти, особенно для производства биолима. Рабочее тепло пиролизера обычно исходит от газа или полукокса, то есть побочных продуктов пиролиза, тогда как псевдоожижающий газ выделяется из пиролизного газа [53].Полученный жидкий продукт затем используется в производстве таких материалов, как биолим, гашеная известь, и для контроля SO x и NO x во время сжигания угля [53].

4.2.4. Ensyn process

Этот процесс включает использование древесины и других лигноцеллюлозных материалов для производства сбраживаемого сахара. Процесс включает в себя следующие важные этапы: обработка материала биомассы разбавленной кислотой (обычно для растворения гемицеллюлозы используется разбавленная серная кислота, в то время как содержание целлюлозы не изменяется), отделение твердого остатка, содержащего целлюлозу, пиролиз отделенного твердого остатка при контролируемая температура (400–600 ° C), атмосферное давление с коротким временем выдержки пара в реакторе с псевдоожиженным слоем, образование водной фазы путем контролируемого регулирования содержания сырого продукта и, наконец, разделение водной фазы [53].

5. Типы пиролиза

В целом процесс пиролиза можно разделить на медленный и быстрый в зависимости от скорости нагрева. В процессе медленного пиролиза время нагревания субстрата биомассы до температуры пиролиза больше, чем время удерживания субстрата при характерной температуре реакции пиролиза. Однако при быстром пиролизе начальное время нагрева предшественников меньше, чем конечное время удерживания при пиковой температуре пиролиза. В зависимости от среды пиролиз может быть еще двух типов, а именно водного пиролиза и гидропиролиза.Медленный и быстрый пиролиз обычно проводят в инертной атмосфере, тогда как водный пиролиз проводят в присутствии воды, а гидропиролиз — в присутствии водорода. Время пребывания пара в среде пиролиза больше для медленного процесса пиролиза. Этот процесс в основном используется для производства угля. Его можно дополнительно классифицировать как карбонизацию и обычную. Напротив, время пребывания пара составляет всего секунды или миллисекунды. Этот тип пиролиза, используемый в основном для производства бионефти и газа, бывает двух основных типов: (1) мгновенный и (2) сверхбыстрый.В таблице 5 приведены некоторые основные характеристики различных типов процесса пиролиза.

5.1. Быстрый пиролиз

В процессе быстрого пиролиза остатки биомассы нагреваются в отсутствие кислорода при высокой температуре с более высокой скоростью нагрева. Исходя из исходного веса биомассы, быстрый пиролиз может обеспечить 60–75% жидкого биотоплива с 15–25% остатков биоугля [54]. Он также может давать 10–20% газовой фазы в зависимости от используемой биомассы [54]. Процесс характеризуется малым временем удержания паров.Однако быстрое охлаждение паров и аэрозолей может обеспечить более высокий выход биомасла [54]. Он может обеспечить жидкое биотопливо для турбин, котлов, двигателей, источников питания для промышленного применения. Технология быстрого пиролиза получает маловероятное признание для производства жидкого топлива из-за определенных технических преимуществ [55–57]:

  1. Она может обеспечить предварительную дезинтеграцию простых частей олигомера и лигнина из лигноцеллюлозной биомассы с последовательным обогащением.

  2. Расширение масштабов этого процесса экономически целесообразно.

  3. Он может утилизировать сырье биомасла второго поколения, такое как лесные остатки, городские и промышленные отходы.

  4. Обеспечивает удобство хранения и транспортировки жидкого топлива.

  5. Обеспечивает вторичное преобразование моторного топлива, добавок или специальных химикатов.

5.2. Мгновенный пиролиз

Мгновенный пиролиз биомассы может давать твердые, жидкие и газообразные продукты. Производство бионефти может достигать 75% при использовании мгновенного пиролиза [58].Эта процедура осуществляется путем быстрого удаления летучих веществ в инертной атмосфере с использованием более высокой скорости нагрева и высоких температур пиролиза около 450 и 1000 ° C. В этом процессе время пребывания газа (менее 1 с) слишком мало [59]. Тем не менее, этот процесс имеет плохую термическую стабильность. Из-за каталитического действия полукокса масло становится вязким, а иногда и содержит твердые остатки [60].

5.3. Медленный пиролиз

Медленный пиролиз позволяет получать древесный уголь хорошего качества при низкой температуре и низкой скорости нагрева.Время пребывания пара в этом процессе может составлять около 5–30 минут. Летучие органические фракции, присутствующие в паровой фазе, продолжают реагировать друг с другом с образованием полукокса и некоторых жидких фракций [61]. Качество продукции бионефти в этом процессе очень низкое. Более длительное время пребывания инициирует дальнейший крекинг, что снижает выход бионефти. Процесс страдает низкими значениями теплопередачи с более длительным временем удерживания, что приводит к увеличению затрат за счет более высоких затрат энергии [62, 63]. Стехиометрическое уравнение для производства древесного угля показано в [11].

C6h20O5 → 3.74C + 2.65h3O + 1.17CO2 + 1.08Ch5E1

В таблице 6 ниже приведены теоретические равновесные выходы целлюлозы при различных температурах с использованием медленного пиролиза [11].

Типы пиролиза Время удерживания Скорость нагрева Конечная температура (° C) Продукты
Быстрый <2 с Очень высокий 500 Bio-oil
Flash <1 с High <650 Bio-oil, химикаты и газ
Ultra-quick <0.5 с Очень высокий 1000 Химическая промышленность и газ
Вакуум 2–30 с Средняя 400 Бионефть
Гидропиролиз <10 с Высокий <500 Био-масло
Карбонизация дней Очень низкий 400 Древесный уголь
Обычный 5–30 мин Низкий 600 Обугленный, био ‐Нефть и газ

Таблица 5.

Различные виды процессов пиролиза.

% продуктов Температура (° C)
200 300 400 500 600
C 32 28 27 27 25,2
H 2 O 36,5 32,5 27 27 22.5
CH 4 8,5 10 10 10 9
CO 2 23,9 28 35 35 36
CO 0 0 1,2 1,2 4,5

Таблица 6.

Равновесная концентрация газообразных продуктов при различных температурах.

6.Каталитический пиролиз

Смесь углеводородов производилась ранее из метанола над цеолитами, такими как ZSM ‐ 5 [64]. В другом патенте предлагалось пропускать пары из пиролизера над слоем цеолита ZSM-5 для получения углеводородов с короткой цепью [65]. Сообщалось, что катализатор ZSM-5 может преобразовывать биомасла, произведенные в пиролизере, в алкилированный бензол [66]. Недостатком использования ZSM-5 в качестве катализатора было образование кокса [66]. Исследователи пришли к выводу, что низкое соотношение H / C в бионефти вызывает быструю дезактивацию катализатора, в результате чего образуется значительное количество кокса в виде отходов [66].Однако эти недостатки можно преодолеть, используя технологию циркулирующего псевдоожиженного слоя, при которой псевдоожиженный слой может быть приготовлен с использованием различных типов катализатора вместо песка [53]. Уровень мелкомасштабной пилотной установки (от 0,1 до 0,35 кг / ч) также был разработан RTI International [53]. Этот завод может успешно проводить пиролиз местной биомассы сосны для производства бионефти. Этот завод также пытается проводить каталитический пиролиз древесной стружки, при котором из 1 тонны остатков биомассы можно получить 60 галлонов пиролитического масла в день [53].Недавно были предприняты другие попытки получить ароматические соединения, особенно бензол, ксилол и толуол, из субстрата биомассы [53]. Недавно компания KiOR Inc. в Техасе, США, [53], заявила о прогрессе в случае расширения масштабов такого рода технологий [53].

Недавно была предпринята попытка разработать катализатор из возобновляемых источников. Зола, образующаяся из газифицированной биомассы, содержит 70–87% кремнезема в аморфной форме, который был использован исследователями для производства катализаторов ZSM-5 и ZSM-48 для обогащения биотоплива [67].Биочаг, полученный из ряски, продемонстрировал превосходную каталитическую активность в отношении риформинга CH 4 -CO 2 при температуре около 800 ° C [68]. Катализаторы можно смешивать с лигноцеллюлозным субстратом перед процессом пиролиза или отдельно с газообразными реагентами для получения желаемых продуктов. Выявлено, что разделение катализатора и биомассы более оперативно для превращения необходимых продуктов [69]. В этом исследовании в качестве катализатора использовался хромит (FeCr 2 O 4 ), и он продемонстрировал благоприятные результаты с точки зрения ограничения производства воды.В таблице 7 представлена ​​сводная информация о катализаторах на основе цеолита, которые до сих пор использовались для облагораживания лигноцеллюлозных остатков.

Катализатор Темп. (° C) Исходное сырье Катализаторское действие Кат.
HZSM ‐ 5 с различными соотношениями Si / Al 2 O 3 500–764 Крафт-лигнин Уменьшение отношения SiO 2 / Al 2 O 3 с От 200/1 до 25/1 и увеличение соотношения катализатор: лигнин с 1: 1 до 20: 1 уменьшало содержание оксигенатов и увеличивало ароматические углеводороды.Выход ароматических углеводородов увеличивался с 500 до 650 ° C, а затем снижался при более высоких температурах. В оптимальных условиях реакции выход ароматических веществ составлял 2,0% (EHI 0,08) и 5,2% (EHI 0,35). [70]
HZSM ‐ 5, Na / ZSM5, HBeta и H ‐ USY 650 Щелочной лигнин H ‐ USY имел самый большой размер пор и самое низкое соотношение Si / Al (7) и имеет лучший выход жидкости 75% и выход ароматических веществ 40%. [71]
ZSM ‐ 5, Al / MCM ‐ 41, Al ‐ MSU ‐ F, ZnO, ZrO 2 , CeO 2 , Cu 2 Cr 2 O 5 , Критерий ‐ 534, стабилизированный оксидом алюминия оксид церия MI ‐ 575, сланец, полукокс и зола, полученные из полукокса и биомассы 500 Корневище маниока ZSM ‐ 5, Al / MCM ‐ 41, тип Al ‐ MSU ‐ F, критерий‐ 534, стабилизированный оксидом алюминия церий-MI-575, Cu 2 Cr 2 O 5 и зола, полученная из биомассы, были селективными в отношении восстановления большинства кислородсодержащих производных лигнина.Катализаторы ZSM-5, Criterion-534 и Al-MSU-F усиливали образование ароматических углеводородов и фенолов. Не было обнаружено единого катализатора для восстановления всех карбонильных продуктов, но ZSM-5, Criterion-534 и MI-575 могли восстанавливать большинство карбонильных продуктов, содержащих гидроксильные группы. ZSM ‐ 5, Criterion ‐ 534, Al / MCM ‐ 41, Al ‐ MSU ‐ F, хромит меди, полукокс и зола с повышенным содержанием уксусной, муравьиной и молочной кислот. MI-575 не увеличивал кислотность. [72]
Доломит 500–800 Отработанная шелуха оливок Доломит увеличивает крекинг и образование газа. [73]
HZSM ‐ 5, Al / MCM ‐ 41, Al ‐ MSU ‐ F и стабилизированный оксидом алюминия оксид церия MI ‐ 575, размер пор 5.5, 31, 15 и NA соответственно 500 Корневище маниока HZSM-5 был наиболее эффективным катализатором для производства ароматических углеводородов, фенолов и уксусной кислоты и восстановления кислородсодержащих соединений, производных лигнина, и карбонилов, содержащих гидроксильные группы боковых цепей. Только MI-575 показал снижение выхода уксусной кислоты. MI-575 также показал наибольший прирост метанола, на втором месте оказался HZSM-5. [74]

Таблица 7.

Краткое описание катализаторов на основе цеолита, используемых для обогащения биомассы.

7. Каталитический гидропиролиз

Каталитический гидропиролиз — это разновидность каталитического пиролиза, при котором пиролиз осуществляется с использованием реактора с псевдоожиженным слоем в потоке водорода. В этом процессе псевдоожиженный слой заменяется катализатором из переходного металла. Сообщалось, что замена инертного песка катализатором на основе никеля при атмосферном давлении может преобразовать бионефть в углеводороды с низким молекулярным весом за короткое время контакта [75]. Недавно Институт газовой технологии , Иллинойс, США, сообщил о новом процессе, в котором весь процесс осуществляется под давлением 7–34 бар [76]. Из-за высокого давления выделяются газы C1 – C3, которые после риформинга выделяют большое количество водорода. Однако система также очень сложна, поскольку представляет собой комбинацию гидропиролиза и риформинга. Необходимо решить некоторые технические проблемы, такие как подача твердых частиц биомассы в пиролизер под давлением под водородом. В целом налаживание этого процесса также требует больших затрат.

8. Типы реакторов

Нельзя недооценивать важность соответствующего реактора в любом процессе, включающем пиролиз. Реакторы были спроектированы таким образом, чтобы удовлетворять конкретным условиям с учетом таких параметров, как температура нагрева, время пребывания парообразного продукта и требуемое давление, для получения высокого выхода биомасла. Учитывая вышеизложенное, исследователи разработали много типов реакторов для конкретных задач. К этим реакторам относятся следующие:

8.1. Реактор с неподвижным слоем

Это очень простая технология, которая дает приоритет производству бионефти, которые относительно однородны по размеру с низким содержанием мелких частиц [42]. Он состоит из двух основных компонентов: отсека охлаждения газа и системы очистки путем фильтрации через циклон, мокрые скрубберы и сухие фильтры. Во время реакции твердый образец проходит через вертикальный вал, где он встречает движущийся вверх противоточный газовый поток. Этот реактор может быть изготовлен из стали, огнеупоров или бетона и состоять из блока подачи (топлива), блока удаления золы и блока удаления газа [77].Реактор, который имеет приоритетное значение для применений, связанных с малым производством тепла и электроэнергии, обладает высокой способностью сохранять углерод и может работать в течение длительного времени в твердом состоянии, с низкой скоростью газа и, конечно, с низким уносом золы. Его ограничение связано с проблемой, обычно возникающей при удалении смол [78].

8.2. Реактор с псевдоожиженным слоем

Этот реактор состоит из смеси двух фаз, твердой и жидкой, и обычно осуществляется путем пропускания жидкости под давлением через твердый материал.Он очень популярен для быстрого пиролиза, так как имеет следующие преимущества [79]:

  1. Обеспечивает быструю передачу тепла.

  2. Он хорошо контролирует реакцию пиролиза и время выдержки пара.

  3. Он имеет достаточно большую площадь поверхности для контакта между двумя фазами в смеси.

  4. Теплопередача в системе примерная, а

  5. Относительная скорость между фазами очень высока.

Существуют различные типы реакторов с псевдоожиженным слоем, которые включают барботажный псевдоожиженный, циркулирующий псевдоожиженный, абляционный реактор, вихревой реактор, реактор с вращающимся диском, реактор вакуумного пиролиза, реактор с вращающимся конусом, реактор PyRos, шнековый реактор, плазменный реактор, микроволновая печь реактор и солнечный реактор, каждый из которых разработан с разными операционными системами и для конкретных приложений.

8.2.1. Реактор с барботажным псевдоожиженным слоем

Конструкция и работа этого реактора очень просты и показаны на рисунке 7 [80].Высокая плотность твердого вещества в слое обеспечивает лучший контроль температуры, плавный контакт между газом и твердым телом, хорошую теплопередачу и отличную накопительную способность. Биомасса нагревается в среде, лишенной кислорода, и разлагается на газ, пар, аэрозоли и уголь, и эти компоненты, наконец, собираются из реактора. В то время как древесный уголь собирается с помощью циклонного сепаратора и хранится, пар быстро охлаждается, конденсируется в высококачественное биомасло и хранится с выходом около 70% от веса биомассы (сухой вес) [80].

Рис. 7.

Реактор с барботажным псевдоожиженным слоем [80].

8.2.2. Реакторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем

Характеристики этого реактора аналогичны характеристикам описанного выше реактора с барботажным псевдоожиженным слоем, за исключением того факта, что время пребывания паров и полукокса меньше. Это увеличивает скорость газа и содержание угля в биомасле. Однако он имеет большое преимущество в пропускной способности. Доступны одинарные и двойные типы этого реактора [81].Базовая схема этого реактора показана на рисунке 8 [80].

Рис. 8.

Реактор с рециркуляционным псевдоожиженным слоем [80].

8.3. Абляционный реактор

В этом реакторе нагрев осуществляется через расплавленный слой на поверхности горячего реактора в отсутствие псевдоожижающего газа. Плавление биомассы осуществляется путем механического прижима биомассы к стенке нагретого реактора, и по мере перемещения расплавленной пробы пары пиролиза испаряются в виде масла. Хотя этот реактор позволяет получать частицы биомассы большого размера (до 20 мм), материалы не требуют чрезмерного измельчения [82].Однако конфигурация реактора немного сложна из-за механического характера процесса. Реактор не получает выгоды от того же масштаба экономии, что и другие реакторы, из-за того, что масштабирование линейно зависит от теплопередачи, поскольку оно контролируется площадью поверхности. Обычно используются два типа этого реактора: абляционный вихрь и абляционный вращающийся диск [82].

8.4. Вакуумный реактор пиролиза

Это реактор медленного пиролиза с очень низкой скоростью теплопередачи.Это приводит к более низкому выходу бионефти, обычно в диапазоне 35–50 мас.% [83]. Конструкция очень сложна, и требования к капиталовложениям и техническому обслуживанию всегда высоки, что делает технологию неэкономичной. Биомасса подается в вакуумную камеру с высокой температурой с помощью конвейерной металлической ленты с периодическим перемешиванием биомассы механическим перемешиванием [83]. Теплоноситель обычно состоит из горелки, а биомасса плавится путем индукционного нагрева с использованием расплавленных солей.Он может обрабатывать биомассу с более крупными частицами, но требует специальных устройств для подачи твердых частиц, специальных разгрузочных устройств, чтобы всегда иметь эффективное уплотнение [83]. Базовая схема этого типа реактора показана на рисунке 9 [83].

Рисунок 9.

Вакуумный реактор [83].

8.5. Реактор с вращающимся конусом

В отличие от реактора с псевдоожиженным слоем, реактор с вращающимся конусом требует, чтобы смешивание биомассы и горячего песка производилось механически и не требовало использования инертного газа.Функциональные возможности показаны на Рисунке 10 [74]. Подача и горячий песок подаются снизу конуса, в то время как они транспортируются к кромке конуса во время прядения с использованием центробежной силы, и когда они достигают вершины, образующийся пар конденсируется конденсатором [74]. Обугленный и песок сжигаются, при этом песок снова нагревается и снова вводится для повторного смешивания со свежим сырьем на дне конуса. Хотя конструкция этого реактора может быть сложной, его высокий выход бионефти делает его желательным.

Рис. 10.

Реактор с вращающимся конусом [74].

8.6. Реактор PyRos

Целью этого реактора является производство биомасла, не содержащего никаких частиц. В нем используется циклонный реактор, интегрированный с фильтром горячего газа. Как сырье биомассы, так и инертное тепло подаются в циклон в виде частиц, в то время как рециркулируемые пары заставляют транспортировать твердые частицы во время процесса. Частицы движутся вниз в нижнюю часть циклона под действием центробежной силы, в течение которого одновременно происходит сушка, нагрев и удаление летучих веществ.Температура нагрева обычно составляет 450–550 ° C при времени выдержки 0,5–1 с. Реактор очень экономичен с точки зрения инвестиций и выхода бионефти [84].

8.7. Шнековый реактор

В этом реакторе используется шнек для перемещения материала пробы через цилиндрическую трубку, которая нагревается и лишена кислорода. Во время этого процесса сырье подвергается пиролизу, улетучиванию и газификации при температуре от 400 до 800 ° C, что приводит к образованию полукокса и конденсации газов в бионефть [30].

8.8. Плазменный реактор

Этот реактор состоит из кварцевой трубки цилиндрической формы, снабженной двумя медными электродами. Подача сырья осуществляется по центру с помощью шнека с регулируемым числом оборотов в верхней части трубы [85]. Газовые потоки в трубке питаются тепловой энергией, вырабатываемой электродами, подключенными к источнику электроэнергии. Инертный газ используется для удаления кислорода из отсека, а также для производства плазмы. Помимо высокого потребления энергии, он демонстрирует способность препятствовать образованию смол, что можно было наблюдать при медленном пиролизе [86].

8.9. СВЧ-реактор

Это одна из последних разработок в области пиролиза. Здесь передача энергии происходит в результате взаимодействия между молекулами и атомами с помощью микроволн. Весь процесс сушки и пиролиза происходит в камере микроволновой печи, подключенной к источнику электроэнергии. Газ-носитель инертен и также используется для создания бескислородной камеры. Реактор доказал свою высокую эффективность в регенерации химических веществ из биомассы [87]. Среди его преимуществ — эффективность теплопередачи, способность эффективно контролировать процесс нагрева, а также способность предотвращать образование нежелательных побочных продуктов.Его можно эффективно использовать в промышленных масштабах [87].

8.10. Солнечный реактор

В этой технологии предусмотрено хранение солнечной энергии в виде химической энергии. Он состоит из кварцевой трубки с непрозрачной внешней стенкой, обычно подвергающейся воздействию высокой концентрации солнечного излучения, способной генерировать высокие температуры (> 700 ° C) в реакторе [88, 89]. Загрязнение в этом реакторе снижено, поскольку сырье никогда не вмешивается в процесс нагрева, в отличие от медленного пиролиза, когда технологическое тепло генерируется частью сырья.Время запуска и выключения также очень быстрое.

В таблице 8 показаны преимущества и недостатки различных типов реакторов.

Тип реактора Преимущества Недостатки
Неподвижный слой Простота конструкции
Надежные результаты
Не зависит от размера биомассы
Сохранение высокого углерода
Длительное время пребывания в твердом состоянии
Низкий вынос золы более
Трудно удалить уголь
Пузырьковый псевдоожиженный слой Простая конструкция
Простые рабочие процедуры
Хороший контроль температуры
Подходит для крупномасштабного применения
Требуются частицы небольшого размера
Циркуляционный псевдоожиженный слой Скважина- понятная технология
Лучше Температурный контроль
Возможна переработка частиц большего размера
Сложно крупномасштабное производство
Сложная гидродинамика
Обугленный слишком мелкий
Вращающийся конус Центробежная сила перемещает горячий песок и субстрат биомассы
Н o Требуется газ-носитель
Сложный рабочий процесс
Требуются частицы меньшего размера
Сложно крупномасштабное применение
Вакуум Масло чистое
Может обрабатывать более крупные частицы размером 3–5 см
Газ-носитель не требуется
Более низкая температура требуется
Конденсация жидкого продукта проще
Медленный процесс
Время пребывания твердого вещества слишком велико Требуется крупномасштабное оборудование
Низкая скорость тепло- и массообмена Создает больше воды
Абляционный Инертный газ не требуется
Более крупные частицы могут
Система более интенсивная
Требуется умеренная температура
Реактор дорогостоящий
Более низкая скорость реакции
Шнек
компактный
Газ-носитель не требуется Более низкая температура процесса
Движущиеся части в горячей зоне
Теплопередача в более крупном масштабе не подходит
PyRos Компактность и низкая стоимость
Эффективная теплопередача
Короткое время пребывания газа
Сложная конструкция
Твердые частицы в масле
Щелочь, растворенная в масле
Требуется высокая температура
Плазма Высокая плотность энергии
Высокая теплопередача
Эффективная Управление процессом
Высокое потребление электроэнергии
Высокие эксплуатационные расходы
Требуются мелкие частицы
Микроволновая печь Эффективная теплопередача
Экспоненциальное управление
Компактная структура
Более высокая скорость нагрева
Возможность переработки биомассы большого размера Равномерное распределение температуры
Высокая температура
Высокое потребление электроэнергии
Высокие эксплуатационные расходы
Солнечная энергия Использование возобновляемых источников энергии
Более высокая скорость нагрева
Высокая температура
Высокие затраты
В зависимости от погоды

Таблица 8.

Преимущества и недостатки различных типов реакторов [52, 90, 91].

9. Продукты пиролиза

9.1. Biochar

Biochar — это твердые аморфные углеродистые материалы, полученные в результате термического разложения лигнина и полимера гемицеллюлозы в процессе пиролиза. Физико-химические свойства матрицы биокар в значительной степени зависят от типа и конструкции реактора, состава биомассы, размера частиц и степени сушки, химической активации, скорости нагрева, времени реакции, давления, скорости потока инертного газа, и т. Д. [29, 92–96]. Если используется более высокая скорость нагрева до 105–500 ° C / с для меньшего времени удерживания и более мелкого размера частиц, более мелкий биоуголь производится в процессе быстрого пиролиза, тогда как сырье с более крупными частицами во время медленного пиролиза приводит к более грубому биоугля. Обычно древесная биомасса дает более грубый биочуголь, тогда как пожнивные остатки и навоз дают более хрупкий биочуголь [97]. Более ранние исследования показали, что выход биоугля в реакторе пиролиза с псевдоожиженным слоем варьируется для разных температурных областей [98].Результаты показали, что при низкой температуре около 450–500 ° C выход biochar был высоким, а скорость удаления летучих — низкой. При температуре около 550–650 ° C выход биоугля снижался. При этой температуре достигается максимальный выход около 8–10% [98]. Однако при более высокой температуре, около 650 ° C, выход биоугля был очень низким. Biochar преимущественно содержит большую часть фиксированного углерода вместе с влагой, летучими веществами, водородом и различными другими составляющими в двух структурах: стопке кристаллических листов графена и случайно упорядоченных аморфных ароматических структурах [99].Ароматическая часть biochar содержит H, O, N, P и S. Эти неорганические соединения оказывают заметное влияние на физические и химические свойства biochar [100]. Процентное содержание этих компонентов зависит от типа биомассы и процесса пиролиза [101–103]. Biochar можно использовать в качестве твердого топлива в котлах. После каталитической предварительной обработки его можно использовать для производства активированного угля, углеродных нанотрубок, газовых фракций и т. Д.

9.2. Синтез-газ

Состав синтез-газа варьируется в зависимости от состава биомассы и параметров процесса пиролиза.Обычно газообразные продукты, полученные после пиролиза, в основном состоят из H 2 и CO. Он также содержит незначительную долю CO 2 , N 2 , H 2 O, смесь алканов, алкенов и алкинов, например, CH . 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , гудрон, зола и т. Д. [104]. Более высокая температура пиролиза приводит к эндотермической реакции. С увеличением пиролиза сначала происходит испарение влаги из биомассы.После этого происходит термическое разложение и улетучивание. На этом этапе производится деготь и высвобождаются летучие вещества. Для получения смеси синтез-газа имеет место серия вторичных реакций, таких как декарбоксилирование, декарбонилирование, дегидрогенизация, деоксигенация и крекинг. Следовательно, более высокая температура инициирует разложение смолы, что приводит к производству синтез-газа с пониженным выходом масла и полукокса. При заданной температуре сухая биомасса дает наибольшее количество газа на ранней стадии пиролиза, тогда как влажная биомасса дает максимальное количество газа позже.Это очевидно и ожидается, поскольку увеличение влажности приводит к увеличению времени высыхания. При крекинге углеводорода водород образуется при более высокой температуре. Из-за наличия кислорода в биомассе образуются CO и CO 2 . Присутствие кислородсодержащего полимера, которым является целлюлоза, определяет выделение образующихся карбонизированных оксидов [105]. Более легкие углеводороды, такие как CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 и т. Д., Образуются в результате риформинга и крекинга более тяжелых углеводородов и гудрона в паровой фазе [106].Плазменный реактор, использующий радиочастоты, может производить до 76,64% синтез-газа [85]. Преимущества использования синтез-газа заключаются в том, что он производит значительно меньшее количество несгоревших углеводородов (HC) и монооксида углерода (CO) с более высокими выбросами оксидов азота (NO x ). Сообщается, что CO и H 2 в синтез-газе имеют сравнительно повышенную скорость пламени и температуру, которые вызывают более высокие температуры в двигателях, чтобы увеличить скорость производства CO 2 и NO x [97–109].Медленные процессы пиролиза дают около 10–35% биогаза. При более высокой температуре мгновенный пиролиз дает больше синтез-газа [110]. Прокаленный доломит использовался при 750–900 ° C в качестве катализатора в реакторе с неподвижным слоем для получения синтез-газа [110].

9.3. Bio-oil

Нефть, экстрагированная после пиролиза, представляет собой смесь примерно 300–400 соединений [111]. Масло, полученное после пиролиза, имеет тенденцию становиться вязким из-за старения, поскольку происходят многочисленные физические и химические изменения с последующей потерей летучих веществ.Однако процесс старения можно замедлить, храня их в прохладных местах [35]. Ранее было установлено, что энергетические культуры могут давать масло с высоким содержанием золы / металлов и воду [112]. Присутствие воды снизит теплотворную способность, а также затруднит разделение фаз [112]. Таким образом, при коммерческом применении необходимо тщательно контролировать наличие золы и лигнина внутри субстрата из биомассы. Ранее термический КПД пиролизных масел сравнивали с дизельным, но они продемонстрировали неоправданную задержку воспламенения [113].С другой стороны, количество, качество и постоянство пиролизного масла также можно улучшить с помощью переменных метода, таких как скорость нагрева, температура и время удерживания [114]. Различные типы реакторов (абляционные и фиксированные), размер частиц и обугливание могут влиять на количество и характеристики пиролизного масла. До сих пор не проводилось всеобъемлющих исследований, которые могли бы уменьшить эти вещи. Следовательно, необходимы дополнительные исследования, чтобы получить полное представление о процессах термохимического превращения для получения пиролизного масла высшего качества.Биомасло, которое следует использовать в коммерческих целях, должно сохранять свои химические и физические свойства, такие как постоянство и вязкость. Если масло содержит соединение с низкой молекулярной массой, это возможно. Масло содержит высокомолекулярные соединения, если исходная биомасса содержит большую долю лигнина.

10. Технология пиролиза: текущее состояние

Использование пищевых культур, таких как соя, кукуруза и сахарный тростник, для производства этанола и биодизеля может длиться недолго, поскольку эти культуры в основном выращиваются для потребления.Поэтому возникает необходимость в более устойчивых способах получения этих материалов из других источников, таких как материалы биомассы, в дополнение к другим, уже исследуемым. Тем не менее, ни один из них еще не является экономически целесообразным, но есть большие надежды на использование лигноцеллюлозной биомассы для этой цели посредством процесса пиролиза, хотя он все еще сталкивается с некоторыми проблемами прорезывания зубов. Компании Ensyn и Dyna Motive предприняли некоторые ощутимые усилия по коммерциализации использования материалов биомассы и других сельскохозяйственных отходов в производстве биотоплива посредством процесса быстрого пиролиза.Эти материалы легко доступны по низкой цене или бесплатно, что делает их использование очень экономичным. В то время как Dyna Motive концентрируется на том, как сделать энергетические системы из производимого топлива более экологически чистыми, Ensyn, с другой стороны, стремится использовать химические вещества, которые могут производиться из системы, в качестве побочных продуктов для других целей, таких как копчение пищи. Эти усилия с тех пор привели к производству биотоплива из материалов биомассы. Другими известными пиролизными компаниями, которые участвовали в этой деятельности, являются Pyrovac и Renewable Oil International, которые используют технику вакуумного пиролиза в дополнение к другим более мелким пиролизным установкам, доступным по всему миру.Из имеющихся данных ясно, что реакторы с псевдоожиженным слоем в основном используются для производства бионефти с использованием биомассы, тогда как за ним следуют другие технологии.

11. Выводы

Изучение литературы показало, что преобразование биомассы в продукты с добавленной стоимостью все еще требует решения некоторых испытаний, таких как определение связи между исходными прекурсорами или исходным сырьем и общей работой пиролизной установки, модернизация согласованность реакций пиролиза с точки зрения полного энергетического и материального баланса для обеспечения устойчивости для рентабельных применений.В этой главе подробно описан принцип технологии пиролиза, включая выбор эффективных параметров пиролиза, типов реакторов, и т. Д. , в зависимости от предпочтительного выхода (биомасло, биоуголь или синтез-газ) процесса. Однако полное понимание типового процесса позволит получить максимальную отдачу. В этой главе освещены полученные выводы и рекомендации для дополнительных исследований:

  1. Основной задачей процесса пиролиза является улучшение процесса за счет повышения качества и количества продукта, а также снижения затрат и снижения вредного воздействия на окружающую среду.

  2. Соответствующий выбор биомассы является решающим фактором для получения высоких урожаев биомассы. Можно выбрать биомассу с высоким содержанием целлюлозы, поскольку биомасла в основном получают из нее, тогда как биомасса на основе лигнина может использоваться для производства биоугля. Кроме того, биомасса с низким содержанием влаги подходит для снижения затрат на сушку и повышения качества добытого масла.

  3. Кинетика пиролиза биомассы может протекать по нескольким параллельным путям.Однако применение низкой температуры приведет к снижению энергии активации, что приведет к получению в основном полукокса и газа. Напротив, повышенная температура приведет к более высокой энергии активации с образованием в основном конденсируемых паров, масел и жидких аэрозолей. Чтобы получить максимальное количество жидкого топлива, необходимо быстро нагреть биомассу до подходящей повышенной температуры. Тем не менее, для быстрого нагрева биомассы требуются частицы прекурсоров меньшего размера, что может вызвать постоянный нагрев частиц.В этом r

Вводная глава: Пиролиз | IntechOpen

1. Введение

Пиролиз, или термолиз, по сути, представляет собой необратимый процесс термохимической обработки сложных твердых или жидких химических веществ при повышенных температурах в инертной или бескислородной атмосфере, где скорость пиролиза зависит от температуры и он увеличивается с температурой. Во время пиролиза молекулы подвергаются воздействию очень высоких температур, что приводит к очень высоким молекулярным колебаниям, при которых молекулы растягиваются и встряхиваются до такой степени, что начинают распадаться на более мелкие молекулы.Пиролиз также всегда является первым шагом в других процессах, таких как газификация и сжигание, где происходит частичное или полное окисление обрабатываемого материала. Процессы термохимической обработки обычно классифицируются в соответствии с их коэффициентом эквивалентности (ER), который определяется как количество добавляемого воздуха относительно количества воздуха, необходимого для стехиометрического сгорания. Коэффициент эквивалентности для пиролиза равен 0 (ER = 0), тогда как коэффициент эквивалентности для сжигания равен или больше 1 (ER≥1), а коэффициент эквивалентности для газификации колеблется в пределах 0.25 и 0,50 (Er = 0,25-0,50).

Слово «пиролиз» происходит от двух древнегреческих слов: пиролиз (πυρο), означающий огонь, и лизис (λύσις), означающий разделение (или раствор), поэтому пиролиз означает разделение с помощью огня или тепла. Напротив, при фотолизе химические вещества обрабатываются светом, а не теплом.

Простейшим примером пиролиза является приготовление пищи. Когда пища готовится, температура пищи увеличивается, что приводит к более высоким молекулярным колебаниям и распаду более крупных сложных молекул на более мелкие и простые молекулы, которые легче переваривать.Другим примером пиролиза является пиролиз табака, бумаги и добавок в сигаретах и ​​других продуктах, при котором образуется много летучих продуктов, включая никотин, окись углерода и смолы, которые ответственны за аромат и опасные последствия для здоровья курения.

Процесс, похожий на процесс пиролиза, имеет место в некоторой степени в природе, когда органические вещества биологического происхождения закапываются и превращаются в ископаемое топливо и угли с постоянно более высоким содержанием углерода под действием температуры, давления и химических агентов [1] .

Пиролиз — это, в основном, процесс термического разложения, при котором сырье с высокой молекулярной массой разлагается или крекируется с образованием первичных летучих веществ. Реакции первичного термического разложения и дегидрирования обычно сопровождаются реакциями вторичной полимеризации и изомеризации первичных летучих веществ. Степень вторичных реакций зависит от условий пиролиза, а также от типа используемого реактора пиролиза. Вторичным реакциям обычно способствует длительное время пребывания и высокие температуры.Поскольку практически невозможно достичь полностью бескислородной атмосферы, также будет небольшое количество реакций окисления. Выходы продуктов пиролиза обусловлены как первичными реакциями разложения сырья, так и последующими вторичными реакциями первичных летучих веществ.

Конечные продукты пиролиза включают твердые остаточные побочные продукты и золу, неконденсирующиеся газы и конденсируемые жидкости, известные как пиролизное масло, пиролитическое масло, биомасло или гудрон.Тип и выход продуктов пиролиза в основном зависят от типа обрабатываемого материала. Конечными продуктами пиролиза также можно управлять путем оптимизации параметров пиролиза, таких как температура, скорость нагрева, время пребывания, давление, размер исходных частиц и тип реактора. Например, для производства бионефти пиролизом, который является термодинамически неравновесным процессом, требуется лишь короткое время пребывания в высокотемпературной зоне с последующим быстрым термическим охлаждением.В некоторых процессах пиролиза может быть получен продукт, содержащий до 80% жидкости по весу.

Пиролиз в основном применяется для органических материалов. По сути, это процесс карбонизации, при котором органический материал с высокой молекулярной массой разлагается или крекируется с образованием твердого остатка с высоким (или более высоким) содержанием углерода и некоторыми летучими продуктами. Как хорошо известно, любое органическое вещество можно карбонизировать или заставить постепенно терять свои атомы, кроме углерода, чтобы стать искусственным углеродным материалом или «углеродом».Помимо органических материалов, в некоторых случаях пиролиз может применяться к неорганическим материалам, а также к воде и водным растворам.

Пиролиз — это эндотермический процесс. Определение общего энергетического баланса и тепловой эффективности процесса является фундаментальным шагом в проектировании эффективного реактора пиролиза. Использование возобновляемых источников энергии или солнечно-тепловой энергии для пиролиза может сделать процесс более экономичным и углеродно нейтральным [2, 3].

Реакции пиролиза обычно протекают при температурах от 400 до 800 ° C.При изменении температуры можно изменить распределение продукта. При более низких температурах пиролиза обычно образуется больше жидких и твердых продуктов, в то время как более высокие температуры способствуют образованию большего количества газов в результате более мощных реакций термического крекинга. Температура пиролиза также оказывает значительное влияние на свойства продуктов пиролиза. Например, теплотворная способность пиролитического масла увеличивается с повышением температуры.

Скорость теплопередачи также влияет на распределение продукта.При быстром пиролизе при более низких температурах более высокие скорости нагрева и малое время пребывания способствуют выходу жидкости, поскольку затрудняется крекинг более крупных молекул с образованием газообразных продуктов. Выходу жидкости также способствует немедленное и быстрое охлаждение, которое часто используется для максимального увеличения производства жидких продуктов путем конденсации паров и газообразных молекул. Промежуточный пиролиз в винтовых реакторах с более длительным временем пребывания (минуты против секунд) также можно использовать для производства бионефти. В этом процессе обычно получают два конденсата: водную фазу и органическую фазу, определяемую как бионефть.Хотя выход бионефти ниже по сравнению с быстрым пиролизом, биомасла, полученные в результате промежуточного пиролиза, более стабильны, содержат меньше кислорода и имеют вещества с более низкой молекулярной массой, и процесс легче контролировать [4]. С другой стороны, медленный пиролиз можно использовать для максимального увеличения выхода твердого полукокса. Этот процесс требует медленного пиролитического разложения при низких температурах.

Пиролиз может проводиться при атмосферном или более высоком давлении или в вакууме, что позволяет избежать неконтролируемого горения.Однако на практике пиролиз в основном проводят при атмосферном давлении, поскольку создание вакуума или высокого давления резко увеличивает стоимость технологического оборудования. Работа под высоким давлением обычно приводит к большему выходу биоугля и газов, в то время как более низкое давление или вакуум приводит к увеличению производства жидких продуктов.

Хотя размер частиц сырья может не сильно влиять на распределение продуктов пиролиза, более крупный размер частиц в целом имеет тенденцию к увеличению выхода жидкости в более высоком диапазоне температур.С другой стороны, частицы меньшего размера способствуют внутренней теплопередаче внутри частиц. В реакторах с псевдоожиженным слоем количество частиц должно быть больше минимума, чтобы избежать уноса мелких частиц, особенно если материал имеет низкую плотность [5].

Тип реактора имеет решающее значение для эффективного производства пиролизного масла. Типы реакторов включают реакторы с насадкой или с неподвижным слоем, реакторы с вращающейся печью и реакторы с псевдоожиженным слоем. В частности, реакторы с псевдоожиженным слоем, такие как шнек, реактор с барботажным псевдоожиженным слоем и реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем, являются высокоэффективными для крупномасштабного промышленного производства пиролизного масла [6].

Реакторы с псевдоожиженным слоем и с неподвижным слоем в основном представляют собой пиролизные реакторы с внешним нагревом, в которых тепло передается от внешней поверхности к внутренней части материала. В реакторах с псевдоожиженным слоем псевдоожижение увеличивает перемешивание и взаимодействие, что приводит к эффективной теплопередаче, однородным температурам, улучшенным скоростям реакции и большему выходу биомасла. С другой стороны, внутреннее отопление используется в пиролизе с помощью микроволн с высокой энергоэффективностью и для производства однородных продуктов.В отличие от традиционного нагрева, микроволновый нагрев обеспечивает быстрое охлаждение паров пиролиза, что позволяет избежать вторичных реакций разложения первичных продуктов.

Катализатор может использоваться в процессах каталитического пиролиза для повышения выхода и снижения температуры и / или времени реакции. Ароматические углеводороды, такие как бензол, толуол и ксилолы, могут быть получены непосредственно путем каталитического пиролиза биомассы [7, 8].

Процесс на основе пиролиза имеет несколько преимуществ по сравнению с другими процессами обработки:

  1. Технология относительно проста, ее можно сделать компактной и легкой.Применения процессов пиролиза варьируются от крупномасштабных промышленных приложений, где используются высокие температуры, до небольших операций, даже портативных установок для преобразования биомассы, где температуры могут быть намного ниже. Мобильные пиролизные установки для производства жидкого и твердого топлива были разработаны для переработки лесных и лесопильных отходов и других сельскохозяйственных отходов. Установки пиролиза построены на прицепах и состоят из четырех основных групп: оборудование для подготовки сырья, сосуд для пиролиза с псевдоожиженным слоем, оборудование для разделения продуктов и бортовая система выработки электроэнергии газовой турбиной [9].

  2. Пиролиз, кроме того, можно проводить в периодическом режиме при низком давлении с минимальными требованиями к предварительной обработке сырья.

  3. Пиролиз также может использоваться для всех типов твердых и жидких продуктов и может быть легко адаптирован к изменениям в составе сырья.

  4. Технология пиролиза может быть разработана для получения минимального количества непригодных для использования побочных продуктов.

  5. По сравнению с другими процессами обработки, такими как газификация, пиролиз в целом дает меньше выбросов в атмосферу, меньшие выбросы оксидов азота и серы, меньше образования CO 2 , меньше выбросов пыли и никаких выбросов диоксина внутри пиролизера из-за пиролиз раскисленным углеводородным газом.

2. Промышленное применение пиролиза

Пиролиз — это проверенная и энергоэффективная химическая технология, которая широко используется в химической промышленности. Пиролиз может использоваться на предприятиях биопереработки для производства широкого спектра продуктов и материалов, на которых может быть основано будущее устойчивое общество, включая многие формы углерода, топлива и других потенциально ценных химикатов и химического сырья.

В производстве топлива и химикатов используется множество процессов пиролиза.Такие процессы различаются по типу процесса, использованию катализаторов, обрабатываемым веществам и конечным продуктам. Процессы пиролиза включают каталитический и некаталитический пиролиз, водный пиролиз, вакуумный пиролиз, медленный пиролиз, торрефикация, быстрый пиролиз, пиролиз в псевдоожиженном слое, мгновенный пиролиз, индуцированный микроволнами пиролиз, плазменный пиролиз, пиролиз пустой пробирки, пиролиз в режиме онлайн и пиролиз с ультразвуковым распылением ( USP). Другие процессы пиролиза включают также термическое разложение, деструктивную и сухую перегонку, обугливание, переработку шин и пиролиз, сжижение, высокотемпературную и низкотемпературную карбонизацию, коксование и термический и каталитический крекинг.

Обычные методы пиролиза часто связаны со многими недостатками, включая низкий выход газа, снижение общей энергетической ценности газа и высокое содержание смолы в газе, что вызывает проблемы с коррозией в оборудовании для сбора газа и увеличивает потребность в дальнейшей обработке добываемый газ [6, 10, 11]. Недостатки традиционных методов пиролиза можно преодолеть с помощью технологии высокочастотного плазменного пиролиза или путем добавления катализаторов и пара.

По сравнению с некаталитическим пиролизом каталитический пиролиз увеличивает выход пиролитического газа и угля, но снижает количество масла [12].Концентрация водорода в пиролитическом газе также может быть значительно увеличена за счет использования некоторых катализаторов [13]. Влияние использования катализаторов на выход пиролитического газа исследовали Chen et al. Было обнаружено, что некоторые катализаторы, в частности оксид хрома, оказывают сильное положительное влияние на пиролитический газ, тогда как другие катализаторы, такие как CuO, даже подавляют выход пиролитического газа [14]. Каталитический пиролиз влияет также на химический состав и характеристики производимого бионефти.При каталитическом пиролизе биомассы необходимость в дорогостоящих процедурах конденсации и повторного испарения перед повышением качества биомассы по существу устраняется [15, 16]. Однако влияние катализаторов на выходы и структуру продуктов с повышением температуры становится менее значительным [17, 18].

Водород также можно использовать в процессе пиролиза для усиления химического восстановления и подавления окисления элементарным кислородом в сырье. Использование водорода также может изменить распределение продуктов пиролиза.

В различных каталитических процессах могут использоваться разные катализаторы, включая сплав Pt – Rh, катализаторы на основе никеля, оксид хрома, Co / Mo / Al 2 O 3 , твердую фосфорную кислоту и цеолит [19]. В исследовании, проведенном по пиролизу биомассы в реакторе с неподвижным слоем, оксид хрома был использован, что привело к увеличению выхода газа [14]. Кислородсодержащие продукты можно уменьшить, используя катализаторы цеолитного типа [20]. Из-за своей большой площади поверхности и регулярной структуры пор мезопористые цеолиты имеют тенденцию ингибировать реакции реполимеризации [21, 22].Цеолитный катализатор использовался в процессе каталитического пиролиза для производства биомасла из рисовой соломы в реакторе с псевдоожиженным слоем. Содержание воды в биомасле увеличилось из-за деоксигенации, а также увеличились ароматические соединения и теплотворная способность [12].

При водном пиролизе или пиролизе с водяным паром органические материалы разлагаются в присутствии перегретой воды или пара. Использование воды в качестве пиролизирующей среды также позволяет вводить сырье в реактор в водной форме.Использование пара позволяет пиролизу происходить при более низких температурах и более высоких давлениях. В общем, водный пиролиз дает более чистый уголь с лучшими свойствами и относительно высокой площадью поверхности и пористостью, которые по своей природе подобны активированному углю. Однако добываемая нефть имеет высокое содержание серы и обычно подлежит обессериванию. Отношение C / H в пиролитическом масле несколько выше, чем в топливе, полученном из нефти. Это соотношение указывает на то, что такое масло представляет собой смесь алифатических и ароматических соединений.Имеются данные, указывающие на то, что увеличение парового отношения (кг пара / кг биомассы) приводит к почти линейному увеличению теплотворной способности биогаза и столь же линейному снижению теплотворной способности биочара.

Биомасла и топливо можно производить путем водного пиролиза рисовой соломы и других материалов биомассы. Паровой крекинг нефтяных масел может использоваться для производства различных химикатов крекинга, таких как этилен, который представляет собой соединение, используемое для производства многих полимеров и антифриза (этиленгликоля).

Согласно Ту и др., Технология высокочастотного плазменного пиролиза может преодолеть недостатки обычных методов пиролиза [23]. Это метод емкостного диэлектрического нагрева, в котором используется переменный ток с высокой частотой и напряжением для создания электромагнитного поля, которое создает плазму для индукции материала мишени, что приводит к сильным столкновениям, трению и, таким образом, самонагреванию. По мере того, как материал нагревается до подходящей степени вакуума, происходит пиролиз. Многие преимущества этого метода включают высокую скорость нагрева, короткое время нагрева до достижения заданной температуры, низкие потери тепла, высокую концентрацию синтез-газа и низкое остаточное количество смолы [5, 9, 24, 25, 26, 27].Высокая скорость нагрева может эффективно разлагать горючее твердое вещество на газообразные продукты H 2 , CO, CH 4 и углеводороды с низким содержанием углерода, такие как C 2 –C 5 [23]. Низкая концентрация смолы в газовой фазе, в основном ниже 10 мг / Нм 3 , может быть достигнута благодаря тому, что высокоэнергетические частицы, такие как электроны, ионы, атомы и свободные радикалы, образующиеся из радиочастотной плазмы, могут усиливать разложение смолы [27].

При вакуумном пиролизе органический материал нагревается в вакууме, чтобы снизить его температуру кипения, а также избежать неблагоприятных химических реакций.

При медленном или традиционном пиролизе сырье нагревается медленно с низкой скоростью нагрева (от 0,1 до 2 ° C в секунду) до низких температур (<400 ° C) в течение длительного периода времени. Во время медленного пиролиза биомассы биомасса медленно улетучивается, что приводит к образованию смолы и угля в качестве основных продуктов. Добываемый газ состоит в основном из метана с небольшими количествами водорода, пропана, этилена, CO и CO 2 .

Торрефикация, также известная как мягкий пиролиз, является примером медленного процесса пиролиза.Торрефикация биомассы — это мягкая форма пиролиза, проводимая в атмосферных условиях и при температурах, обычно в диапазоне от 200 до 320 ° C, где начало первичного пиролиза происходит при 200 ° C. Для низких температур, применяемых при торрефикации, период разогрева относительно короткий, даже для низких скоростей нагрева, обычно применяемых при торрефикации.

Торрефикация служит для улучшения свойств биомассы по сравнению с методами термохимической обработки для выработки энергии, такими как сжигание, совместное сжигание с углем или газификация.Торрефикация также устраняет всю биологическую активность, снижая риск возгорания и останавливая биологическое разложение. Около 10% энергии, содержащейся в биомассе, теряется в результате процесса торрефикации, но эту энергию летучих веществ можно использовать в качестве нагревающего топлива для самого процесса. Во время торрефикации удаляются влага и легкие летучие органические компоненты, и биомасса обычно теряет 20% своей массы (сухая основа кости). Кроме того, торрефикация частично деполимеризует биополимеры (целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин) и длинные полисахаридные цепи, образуя гидрофобный, сухой, почерневший твердый продукт в виде «торрефицированной биомассы» или «биоугля» с повышенной плотностью энергии (по массе основы) и значительно повышенная шлифуемость.В результате для обработки торрефицированного топлива требуется значительно меньше энергии, и больше не требуется отдельное оборудование для обработки при совместном сжигании угля на существующих электростанциях [20]. Обожженная или так называемая обжаренная древесина нашла применение в качестве топлива для барбекю и разжигателя огня [28]. Наконец, было высказано предположение, что торрефицированная биомасса является подходящим сырьем для систем, ранее не считавшихся пригодными для твердого топлива из сырой биомассы, таких как газификация с унесенным потоком. Это связано с тем, что торрефицированная биомасса образует более сферические частицы во время измельчения или измельчения [29].

При быстром пиролизе, с другой стороны, органические материалы быстро нагреваются до 450–600 ° C в отсутствие воздуха, в котором применяется быстрая теплопередача (100–1000 ° C / с). Для достижения очень высоких скоростей нагрева и теплопередачи во время пиролиза обычно требуется тонко измельченная биомасса. Быстрый пиролиз — хорошо известный метод производства летучих продуктов. Из-за короткого времени пребывания паров продукты представляют собой высококачественные газы с высоким содержанием этилена, которые впоследствии могут быть использованы для производства спиртов или бензина.Производство полукокса и дегтя при этом значительно меньше [30, 31].

Процесс быстрого пиролиза был постоянно разработан и оптимизирован для производства биомасла из биомассы. Для производства бионефти методом быстрого пиролиза требуется ряд важных характеристик. К ним относятся очень высокая скорость нагрева (1000 ° C / с), высокая скорость теплопередачи (600–1000 Вт / см 2 ), короткое время пребывания пара (обычно менее 2 секунд), более низкие температуры процесса и эффективное и быстрое охлаждение. конденсируемых паров, чтобы предотвратить их растрескивание и, следовательно, максимизировать добычу нефти [6, 32].В экспериментах, проведенных Ли и др., Оптимальный диапазон температур реакции для производства бионефти путем быстрого пиролиза был определен как 410–510 ° C [33]. Бионефть, полученная таким способом, может содержать большие молекулы, производные от лигнина, что отрицательно влияет на свойства биомасла [34, 35].

Каталитический быстрый пиролиз может использоваться для производства ароматических углеводородов с использованием ряда различного лигноцеллюлозного сырья. Каталитический быстрый пиролиз имеет ряд преимуществ перед другими процессами конверсии биомассы, где реакции пиролиза могут происходить в одном реакторе с использованием недорогих алюмосиликатных катализаторов [36].

С применением индукционного нагрева процесс быстрого пиролиза был использован для производства ценных продуктов из рисовой соломы, жмыха сахарного тростника и скорлупы кокосовых орехов в реакторе с неподвижным слоем с внешним обогревом [37]. В одном процессе солома измельчается, сушится при 150 ° C, смешивается с другим сырьем, прессуется при 200 ° C и, наконец, карбонизируется при 300–350 ° C [38]. В другом процессе смесь биомассы после измельчения и экструзии сушат в печи и карбонизируют при 600-800 ° ° C [39].

Инфракрасное излучение является эффективным методом для быстрых процессов нагрева, поскольку энергия инфракрасного излучения напрямую передается обрабатываемому материалу. Инфракрасное излучение используется в качестве источника тепла для многих приложений, таких как обработка пищевых продуктов, нагрев поверхностей, разложение твердых веществ и быстрый пиролиз горючего сланца [40]. В исследовании Siramard et al. При пиролизе сланцевого масла в реакторе с неподвижным слоем и инфракрасным нагревом было обнаружено, что на добычу сланцевого масла влияет направление инфракрасного луча с более высоким выходом, достигаемым за счет перекрестного тока по сравнению с прямоточным нагревом.Это следует объяснить тем фактом, что время пребывания летучих веществ было короче в случае перекрестного тока, что привело к снижению вторичных реакций крекинга летучих веществ. Было также установлено, что пониженное давление пиролиза способствует высвобождению летучих веществ и сокращению вторичных реакций крекинга [40].

Пиролиз в псевдоожиженном слое осуществляется в псевдоожиженном слое, создаваемом пропусканием движущегося вверх потока газа-носителя через слой твердого вещества в виде частиц в соответствующих условиях, чтобы смесь твердого вещества и текучей среды стала вести себя как жидкость.Использование газа-носителя для псевдоожижения приводит к более низкой теплотворной способности производимого биогаза. Реактор с псевдоожиженным слоем, работающий при атмосферном давлении и температуре 500 ° C, использовался для производства биомасла из древесного сырья и рисовой соломы [41]. Реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем с песком, используемым в качестве материала слоя, использовали при манометрическом давлении около 5-15 кПа для производства пиролизного масла из травы воробья ( Pennisetum purpureum ) с теплотворной способностью 19,79 МДж / кг. Максимальный выход пиролизного масла составил 37 мас.% При температуре слоя 480 ° C.Произведенное масло применимо к паровым двигателям и газотурбинным двигателям, но не к дизельным двигателям [42].

Более высокая эффективность иногда достигается мгновенным пиролизом, также называемым безводным пиролизом. В этом процессе исходный материал тонко измельчается или измельчается и быстро нагревается до 350-500 ° C в течение менее 2 секунд, обычно в вакууме, чтобы снизить температуру кипения побочных продуктов и избежать неблагоприятных химических реакций. В этом процессе изолирующий слой угля, который образуется на поверхности реагирующих частиц, постоянно удаляется.Этот процесс используется, например, в органическом синтезе.

Процесс мгновенного пиролиза был разработан Longanbach и Bauer для производства жидкого топлива, угля и газов из битуминозного и полубитуминозного угля, городских отходов, травяной соломы и других материалов биомассы. В этом процессе материал биомассы нагревается путем контакта с горячим рециркулирующим полукоксом и переносится в потоке газа через реактор, где пиролиз происходит с очень коротким временем пребывания и скоростью нагрева [43]. Также был разработан процесс мгновенного пиролиза для превращения городских, промышленных и сельскохозяйственных отходов в пиролитическое масло при давлении, близком к атмосферному, без использования химикатов или катализаторов.В то же время были извлечены неорганические вещества [44].

СВЧ-нагрев — это электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,01 до 1 м и эквивалентном диапазоне частот 0,3–300 ГГц. Обычно микроволновые реакторы для химического синтеза и все бытовые микроволновые печи работают на частоте 2,45 ГГц, что соответствует длине волны 12,25 см. Материал, который поглощает микроволновое излучение, известен как микроволновый диэлектрик, поэтому микроволновый нагрев иногда называют диэлектрическим нагревом [45, 46].

СВЧ-нагрев широко используется во многих областях термохимической обработки отходов, таких как биомасса, отработанное масло для жарки и утиль шин. В основном это связано с его высокой эффективностью нагрева и простотой эксплуатации. Микроволновый нагрев — это процесс внутреннего нагрева, который осуществляется внутри нагретого образца в целом. Обычно он требует меньших затрат энергии, чем традиционный нагрев, и имеет, кроме того, другие преимущества, включая однородность нагрева и более короткое время нагрева [47].При пиролизе, индуцированном микроволнами, сфокусированное нагревание микроволнами отличает получающийся пиролиз от традиционного пиролиза. Пиролиз, вызванный микроволнами, не требует общего перемешивания, псевдоожижения или высокой степени измельчения, и, кроме того, его можно использовать для обработки смешанного сырья, такого как твердые бытовые отходы [48].

Согласно Хуангу и др., Более высокие уровни мощности микроволн вносят вклад в более высокие скорости нагрева и температуры реакции и, следовательно, могут производить торрефицированную биомассу с более высокой теплотворной способностью и более низкими соотношениями H / C и O / C [49].Подходящие уровни мощности микроволн, предложенные Wang et al. должны быть установлены от 250 до 300 Вт для обжига рисовой шелухи и остатков сахарного тростника [50]. В исследовании, проведенном Ахмадом и соавторами, обжаренная скорлупа ядра пальмы имела самую высокую теплотворную способность при уровне мощности микроволн 450 Вт. Однако, когда уровень мощности микроволн увеличился с 450 до 600 Вт, теплотворная способность обжаренной массы снизилась [ 45].

Работа Zhu et al. показал, что микроволновый нагрев может изменять надмолекулярную структуру лигноцеллюлозных материалов [51].В исследовании Huang et al. Было высказано предположение, что обогащенный водородом топливный газ (51–55% H 2 ) может быть получен из рисовой соломы с использованием пиролиза, индуцированного микроволнами. Основными компонентами газообразного продукта были H 2 , CO 2 , CO и CH 4 . Алканы, полярные атомы и полициклические ароматические углеводороды с низкими кольцами представляют собой три основных типа соединений в жидком продукте. С точки зрения потребления энергии, около 60% входящей энергии может быть получено и использовано в качестве биоэнергии [52].

Бионефти с вязкостью ниже вязкости легкого и тяжелого жидкого топлива и, следовательно, более легкие в обращении и переработке, были получены с помощью микроволнового пиролиза сырья из осины, канолы и кукурузных початков [41].

СВЧ-нагрев применялся также для обработки отработанных шин. Эксперименты проводились в серийном лабораторном масштабе с печью, работающей на частоте 2,45 ГГц с регулируемой выходной мощностью до 6 кВт. Достигнуты короткое время пиролиза и контролируемые свойства продукта.Типичными продуктами были твердый остаток, содержащий до 92% углерода, масло с низкой вязкостью и высокой теплотворной способностью и газ, содержащий легкие углеводороды, водород и только следы N 2 [53].

При пиролизе с пустой трубкой используется нагретая трубка из оксида алюминия или никеля, в которую вводятся образцы. Этот метод был разработан одновременно двумя группами, работающими в Шотландском научно-исследовательском институте сельскохозяйственных культур и в Университете Индианы.

При пиролизе ультразвуковым распылением (USP) ультразвуковое сопло используется для тонкого химического синтеза, такого как синтез наночастиц, диоксида циркония и оксидов.

Сжижение — это термохимическое превращение твердого органического вещества в жидкость, состоящую из тяжелых молекулярных соединений с характеристиками, аналогичными жидкостям на нефтяной основе, таким как жидкое топливо. Сжижение может также включать получение жидкости из потока пиролитического газа.

Материалы, обрабатываемые пиролизом, включают:

  • Твердые материалы, такие как горючий сланец, уголь, древесина, древесная и травяная биомасса, а также твердые органические, сельскохозяйственные и муниципальные отходы, включая солому, навоз животных и фекальные отходы человека, отходы пластмасс и даже отходы печатных плат.В частности, рисовая солома имеет несколько характеристик, которые делают ее привлекательным лигноцеллюлозным материалом для производства биоэтанола, такими как высокое содержание целлюлозы и гемицеллюлозы, которые могут быть легко гидролизованы в ферментируемые сахара. Однако высокое содержание золы и кремнезема в рисовой соломе делает выбор подходящей технологии предварительной обработки серьезной проблемой при разработке экономически жизнеспособной технологии производства биоэтанола [54].

  • Жидкие материалы, такие как нефтяные фракции.

Принцип технологии пиролиза

Процесс пиролиза древесины по внешнему виду и контрольным измерениям можно разделить на следующие этапы :

1. Сушка древесины — древесина выделяет только влагу, почти 0-150 ° C.

2. По сути, сухая перегонка (пиролиз древесины). На этой стадии в дистилляте появляется ряд органических продуктов и выделяется газ.Обычно эта фаза относится к температурному интервалу 150-350 ° C. Эта стадия также характеризуется так называемым экзотермическим периодом, наблюдаемым при температуре 275-285 ° C, когда процесс идет очень активно, с явным выделением тепла реакции.

3. Стадия прокаливания . Он характеризуется отделением небольшого количества смолы (1,5-2%) и значительного количества неконденсируемых газов от угля, полученного на предыдущей стадии.Эта стадия начинается при температуре 350-400 ° C, а конечная температура устанавливается в соответствии с условиями производства и обычно не превышает 400-550 ° C.

Первым компонентом древесины, который начинает распадаться при температуре немного ниже 150 ° C, является ксилан, но в основном его разложение происходит при температуре 250-260 ° C вместе с образованием фурфурола, уксусной кислоты и газов. Разложение лигнина начинается при температуре около 200 ° C, этот процесс приводит к образованию низкомолекулярных летучих соединений и к полной перестройке первичной структуры лигнина.Это происходит за счет гетеро- и гомолитической диссоциации химических связей между структурными единицами лигнина и внутри них. При температуре выше 300 ° C целлюлоза начинает разлагаться.

Древесина — очень сложная система органических соединений, отличающаяся от других высокой молекулярной массой, поэтому процесс ее распада чрезвычайно сложен и труден для описания и, тем более, для оценки. Несомненно, существует ряд последовательных и параллельных реакций, которые характеризуются разрывом связей, существующих в исходном комплексе в ходе процесса.

В результате образуются новые вещества, многие из которых нестабильны в этих условиях и легко реагируют друг с другом. В установках периодического действия стадии процесса пиролиза протекают последовательно во времени, тогда как в установках непрерывного действия в верхней зоне идет процесс сушки, внизу — процесс нагрева древесины до температуры экзотермической реакции, в средней зона — разложение древесины и прокаливание угля, в нижней части — процесс охлаждения угля перед выгрузкой.И все эти процессы происходят одновременно. Так, когда кто-то работает с периодически работающим оборудованием, состав газовой смеси меняется во времени, тогда как в непрерывном процессе он остается практически неизменным во времени.

Накопленный производственный опыт и проведенные в лаборатории исследования позволили выделить несколько зависимостей, определяющих влияние различных факторов на процесс пиролиза и взаимосвязь между химическим составом древесины и продуктами ее термического разложения.На процесс пиролиза влияют различные факторы, но наиболее важными из них являются исходные и модальные факторы, которые рассматриваются ниже.

Продукты пиролиза

В результате процесса образуется первичных продуктов :

уголь около 30%

древесный газ сухой перегонки — около 20%

дистиллят (слякоть) — около 50% от веса высушенной на воздухе древесины.

Уксус для слякоти или древесного уксуса представляет собой 15-20% раствор органических веществ в воде, полученный обычной сухой перегонкой с использованием конденсатора. Его удельный вес составляет 1025-1035.

Кислотность пульпы находится в пределах от 7 до 12%.

В составе шлама содержится около 380 индивидуальных химических веществ.

Основные группы:

  • Кислоты жирные кислоты гомологического ряда уксусной кислоты (муравьиная, пропионовая, масляная, валериановая кислоты) с преобладанием до 80% уксусной кислоты.
  • Спирт — в основном метанол со смесью аллилового спирта.
  • Эфир — метилацетат, этилацетат и др.
  • Альдегид — формальдегид, ацетальдегид и др.
  • Кетон — — ацетон, метилэтилкетон.

Количественно можно принять среднее содержание кислых частей в шламе — 7-12%, древесного спирта (эфирная, альдегидная и кетонная группа) — 3-5%, растворимой смолы — 5-7%.

Древесный уголь представляет собой пористое, блестящее хрупкое черное тело с голубоватым оттенком на изломе, в определенной степени сохраняющее структуру исходной древесины.Истинный удельный вес 1,4; удельный вес кускового угля из ели — 0,25, древесного угля из сосны — 0,27, древесного угля из березы — 0,3-0,4. Обожженный уголь из всех пород древесины имеет примерно одинаковый состав органического вещества: C — 82,5%; H 2 — 4%; О + Н — 13,5%. Содержание углерода в древесном угле, в зависимости от конечной температуры обжига, значительно варьируется, достигая 99,7% органической массы при очень высокой температуре (1600 ° C). Содержание золы в древесном угле 2,5-3,5%. Преобладают CaO, K 2 O, Na 2 O и очень мало фосфора и серы в его составе, что очень типично.Теплотворная способность древесного угля 7000-8000 кал / кг.

Древесный газ сухой перегонки является горючим, хотя он содержит до 50% CO. 2 . Теплотворная способность всего газа, получаемого при пиролизе, составляет 800-1200 кал / м 3 . Эта цифра кардинально меняется в процессе — газ сухой перегонки постепенно обогащается горючими компонентами с повышением температуры.

Современные угольные установки ориентированы на получение только древесного угля, при этом экологически чистое оборудование обеспечивает утилизацию древесного (пиролизного) газа и шлама.Такой угольная печь является нелетучим. Полученного тепла достаточно для нагрева новой порции сырья; процесс непрерывный и эффективный.

Прогнозирование продуктов пиролиза полиэтилена, полипропилена и полиэтилентерефталата с использованием модели коэффициента активности NRTL

Использование термодинамических моделей является желаемым методом для предсказания равновесия, когда оно возникает в системе. Если термодинамическая модель может предсказать состояние равновесия при пиролизе, для ученых откроется новый способ предсказания равновесия в реакции без необходимости использования кинетических моделей.В данной работе вместо сырья процесса пиролиза использовались полиэтилен низкой плотности, полипропилен и полиэтилентерефталат. Процесс поддерживали при 500 ° C с 5 различными степенями повышения температуры 6, 8, 10, 12 и 14. Затем процесс моделировали термодинамически с использованием модели коэффициента активности NRTL. С помощью этой модели были исследованы коэффициенты бинарного взаимодействия для системы «уголь, нефть и газ». Результаты показали, что полиэтилен и полипропилен дают максимально жидкий продукт.Расчетная целевая функция RMSD составила 0,0157; что это приемлемо для этого процесса.

1. Введение

Использование моделей коэффициента активности в процессе разложения полимера посредством пиролиза или термолиза является необычным. Эти процессы обычно оцениваются кинетическими моделями. В реакции пиролиза образуются три фазы: твердая (уголь), жидкость (смола) и газ. Эти три фазы не смешиваются самопроизвольно. Рассматривая реакцию пиролиза как процесс, состоящий из трех твердой, жидкой и газовой фаз, мы можем применить термодинамическую модель к этой системе.Полученные фазы несмешиваемы, и их нельзя снова смешивать. Основываясь на теории несмешивающихся смесей, мы можем предположить, что трехфазная смесь образуется после изменения параметра процесса. Переменной процесса здесь является температура.

Разложение этих больших молекул зависит от ряда различных условий, включая (но не ограничиваясь ими) температуру, время пребывания и присутствие катализаторов [1]. Реакцию пиролиза можно проводить в присутствии катализатора или без него.Соответственно, реакция будет термической и каталитической пиролизом.

Основными отходами пластмасс, которые представлены в мире, являются полиэтилен, полипропилен и полиэтилентерефталат. Таким образом, большинство ученых пытаются преобразовать эти три компонента [2–6]. Влияние различных температурных режимов на продукты пиролиза показано в таблице 1.

мы пытаемся преобразовать ПЭ, ПП и ПЭТ с помощью процесс пиролиза.Жидкий продукт (гудрон) является одним из желаемых продуктов и может быть использован в качестве сырья для очистки и производства легких фракций нефти. По этой причине в данном исследовании основной целью является максимальное производство жидкости, а условия процесса устанавливаются для получения более жидкого продукта.

2. Материалы и методы

Как уже упоминалось в предыдущем разделе, в качестве сырья для пиролиза могут использоваться различные пластиковые отходы. Образцы пластика (ПЭНП, ПП и ПЭТ) были собраны на нефтехимическом комплексе Бандар Имам.Эти образцы были промыты и высушены в вакуумной печи при 50 ° C, затем образцы были нарезаны небольшими кусочками размером примерно 2 миллиметра. Выбранные пластмассы превращаются в различные продукты в процессе пиролиза.

Исходя из предыдущих работ [1, 5, 7–9], давление пиролиза рассматривалось при атмосферном давлении, а основным переменным параметром была температура. Графическое изображение экспериментальной установки показано на рисунке 1.

2.1. Температура пиролиза

Основываясь на предыдущих работах, многие исследователи считали температуру от 400 до 600 ° C [1, 5, 7–9].Еще один переменный параметр пиролиза — коэффициент увеличения температуры. В этой работе температура пиролиза принималась равной 500 ° C, и рассматривались различные скорости повышения температуры от 6 до 14 ° C / мин. Все образцы были нагреты от лабораторной температуры до 500 ° C на основе скоростей нагрева, которые показаны в таблице 2.


Смола Режим термического разложения Низкотемпературные продукты Высокотемпературные продукты

Полиэтилен Случайный разрыв цепи (приводит к образованию как мономеров, так и олигомеров) Воски, парафиновое масло, α -олефины Газы и легкие масла
Полипропилен Случайный разрыв цепи Вазелин олефины Газы и легкие масла
Полиэтилентерефталат b-Перенос водорода, перегруппировка и декарбоксилирование Бензойная кислота и винилтерефталат

0

ПЭТ

920 1477 920 1477 LDPE

920 1477

76 900


Пластиковые отходы Скорость повышения температуры (° C / мин)

LDPE 6
LDPE 8
LDPE 10
LDPE 12
ПЭТ 8
ПЭТ 10
ПЭТ 12
ПЭТ 14
PP 6
PP
PP 10
PP 12
PP 14

Чтобы предотвратить окисление продукта, перед периодом нагрева пропускали поток азота.Реактор пиролиза был помещен в печь Carbolite, чтобы он мог нагреваться до 1200 ° C с различной скоростью. Отводимый поток использовали для подачи продукта пиролиза в конденсатор. Конденсатор охлаждается силиконовым маслом в межтрубном пространстве первого теплообменника и водой в кожухе второго теплообменника. После начала реакции продукт пиролиза подавали в трубную часть теплообменника. Затем жидкий продукт пиролиза собирали в сосуд для жидкого образца, а твердый продукт (полукокс) оставался в реакторе.

2.2. Прогнозирование продукта пиролиза с использованием модели коэффициента активности NRTL

В этой работе мы использовали модель коэффициента активности NRTL для прогнозирования содержания каждой произведенной массы (твердое вещество-жидкость-газ). Эта модель может быть использована для неидеальных систем путем настройки коэффициентов бинарного взаимодействия. Модель NRTL была представлена ​​Реноном и Праусницем в 1969 г. [10].

Учтите следующее:
Рассмотрим:

Пиролизное масло — Экология с открытым исходным кодом

Основная > Энергия > Биотопливо


Пиролизное масло или «био-масло» является продуктом пиролиза различных материалов, таких как:

  • При нагревании древесины или другой биомассы до достаточной температуры в среде с низким содержанием кислорода или без кислорода образуются летучие компоненты
  • После охлаждения некоторые из них находятся в газообразном состоянии (водород, окись углерода, газообразные углеводороды), а другие находятся в жидкой форме, так называемое пиролизное масло
  • Это масло является плотным источником топлива — для таких применений, как отопление и производство пара.
  • Таким образом, это менее технологичный заменитель нефтяного топлива в некоторых приложениях с более низкой теплотворной способностью, чем дизельное топливо.
  • В настоящее время не может заменить дизельное топливо в стандартных дизельных двигателях внутреннего сгорания из-за высокой вязкости и кислотности
  • Обновление биомасла до дизельного топлива с помощью процесса Фишера-Тропша возможно, но не может быть практичным в малых масштабах
  • Существуют также химические пути
  • Недавно был обнаружен дешевый способ с открытым исходным кодом для улучшения биомасла с помощью Red Mud в качестве катализатора.

Бионефть («биокруд») прямо с фермы.

  • Нужно найти какой-нибудь паспорт безопасности для него или, возможно, аналогичный продукт «креозит» / древесная смола?
  • ВЕРОЯТНО не очень хорошо
  • Не помешает использовать:
    • Перчатки
    • Вытяжной шкаф и респиратор и / или хорошая вентиляция в рабочем пространстве
  • Пока он не превратится в конечное топливо / продукты, просто используйте:
    • Хорошая вентиляция и мыть руки после воздействия

Сценарии использования

Пиролизное масло чаще всего получают в результате пиролиза биомассы, но также возможны многие другие источники, такие как пластиковые отходы и старые шины.Типичные промышленные применения пиролизного масла в качестве топлива:

  • Котлы
  • Печи
  • Генераторы горячей воды
  • Генераторы горячего воздуха
  • Тепловой нагреватель жидкости
  • Электрогенераторы (смешанные с 50% дизельным топливом)
  • Дизельные насосы (смешанные с 50% дизельного топлива)

Методы использования

  • Может использоваться напрямую (хотя и не так эффективно и загрязняюще) как:
  • В случае переработки его можно использовать в качестве соответствующих углеводородов.
    • Фильтрация, водоотделение + химическая сушка и фракционная перегонка — это основной рабочий процесс
    • Можно ли использовать его в качестве сырья для производства биодизеля?
  • Реакторы, скорее всего, также будут производить следующие полезные продукты:

Производство

Постпроизводственная фильтрация

  • Простая вакуумная фильтрация]] через фильтр
  • Можно даже использовать мелкую металлическую сетку для повторного использования (кислотность может быть проблемой для этого, но, возможно, ткань / керамика?)

Водоотделение + сушка

Базовое отделение

  • Разделительная воронка или аналогичное устройство (метод пипетки для небольших объемов, ведра с носиками для дешевых установок и т. Д.) Может отделять большую часть воды
  • Может ли водоотделитель / сифон для дизельного топлива быть хорошим вариантом OTS?
  • Может быть использовано автоматическое дозирующее устройство или непрерывный сепаратор масла и воды

Дополнительная сушка

  • Не требуется для прямого использования
  • Это больше подходит для использования в химической очистке и модернизации
  • Это можно сделать через:
    • Молекулярные сита
    • Вакуумная сушка (при условии, что масло не выкипит первым, или это учтено)
    • Фракционное замораживание (сублимационная сушка жидких смесей для разделения с помощью разностей сублимации) может работать (требуется исследование)
    • Простые емкости для испарения / бассейны в сухой / теплой среде? (требуется дополнительное исследование)

Постфильтрация + сушка Очистка / модернизация

  • Не используется ни в каких случаях прямого использования масла
  • Используется для производства синтетических углеводородов на том же уровне, что и разновидности био-сырой или невозобновляемой сырой нефти.
  • Выполнено с использованием того же рабочего процесса, что и другие источники:

Великий эксперимент, который можно провести за семестр, — это создание простого дистилляционного аппарата для проверки процедуры с использованием древесных стружек или газет, а также для измерения чистоты и состава полученного топлива. Обращайтесь: joseph.dolittle в gmail dot com для получения дополнительной информации

Базовый эксперимент можно легко провести, нагревая биомассу в металлической бочке емкостью 55 галлонов. Может быть применен внешний огонь или установлен электрический нагревательный элемент. Выделяющиеся пары можно направить в другой барабан, погрузив его в холодную воду для образования конденсата. Во втором барабане размещается дренажное отверстие для сброса давления, и газы могут сжигаться или захватываться на этом выходе по мере протекания реакции.Когда вся биомасса перегоняется, подача газа в факел прекращается.

Полученный продукт можно анализировать.

  • Испытание на воспламеняемость
  • Отопление для отвода воды
  • Нагревание для удаления более легких фракций с получением мазута
  • Дополнительный нагрев для получения более тяжелых масел или смазок
  • Охлаждение на отдельные фазы
  • Замораживание для разделения фаз или для разделения воды
  • Использование кувшина для воды со встроенным краном позволяет легко отделить воду от топлива (аналогично разделительной воронке)
  • Банку с краской в ​​качестве реактора может быть даже проще сделать в небольшом масштабе и дешево

вот пиролизный аппарат в моем понимании:

1.вам нужна печь, вероятно, старая бочка для внешней стороны камеры сгорания, выложенная внутри смесью шамот / песок / опилки. У него будет крышка с умеренным выпускным отверстием (может быть, половина площади крышки будет удалена), которую можно было бы отлить из той же смеси шамота. Кроме того, внизу есть отверстие для топлива и воздуха. Вы могли бы запустить его на природном газе, так как в конечном итоге вы, вероятно, просто вернули бы древесный газ в более позднюю версию.

2. Камера для ввода пиролизуемого материала.можно было бы окружить дешевую камеру тонким защитным покрытием. тонкий, чтобы не препятствовать передаче тепла. огнеупорный раствор и, может быть, песок, раствор может быть 20 долларов за все, что вам понадобится, я думаю. или вам может понадобиться труба большого диаметра и сделать для нее дно и верх из толстых (5/8 «-1/2», я думаю) металлических плит. он должен быть несколько толстым, потому что в противном случае он быстро окислится (гальванизация испарится; хром или эмаль должны выдержать циклы теплового расширения / сжатия; тонкая нержавеющая сталь может быть вариантом) вверху есть отверстие для выпуска, есть нет входного отверстия.

3. тушитель. очевидно, что скорость гашения важна, поскольку производимые свободные радикалы быстро соединяются с образованием смолы и асфальта, а не более полезных веществ. Обычный способ сделать это — распылить большое количество охлажденного пиролизного масла в горячий поток внутри циклонного сепаратора (например, вашей мукомольной мельницы). Не знаю, насколько это практично. возможно, охлаждение стенок циклонного сепаратора и трубопроводов к нему также проточной водой из вашего холодного колодца подойдет.это woukld потребует экспериментов.

4. Хранение газа. масляная бочка, наполненная водой, перевернутая и погруженная в воду. Большая версия того, как собирают газ на уроке химии. пузыри газа через дно, и у вас есть клапан на открытой поверхности, чтобы выпустить газ на досуге. Вес наверху ствола определяет psi хранилища. в конечном итоге этот газ может быть просто перенаправлен обратно в печь, но сначала полезно знать, сколько газа вы получаете, а также вы можете использовать его в качестве газа для приготовления пищи для вытеснения пропана.

Сначала я говорю «пропустите 3» и просто позвольте пузырькам в воде в 4-м растворе стать закалкой. тогда вы сможете взвесить полукокс и газ и узнать, сколько нефти вы добываете. большая часть масла, вероятно, будет в пленке на дне газосборника, но я не знаю, как влажность повлияет на это (я думаю, что некоторые фракции полимеризуются с водой или образуют стабильную эмульсию). Теоретически это была бы лучшая закалка с точки зрения площади поверхности газа до теплоотвода, так что вы можете оценить, сколько нефти может произвести очень эффективное закаление.затем, когда у вас есть системные данные о расходах и все остальное, вы можете построить циклонный сепаратор и поиграть с некоторыми лучшими идеями гашения.

-эллиот

Реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем.

Это видео от YouTube Г-на Теслоняна демонстрирует мелкомасштабную фракционную перегонку биомасла из дровяной печи. Очень чистый газ получают, пропуская его через микроперерабатывающий завод (с фильтрами и системой фракционной перегонки). После дистилляции газ приводит в действие двигатель внутреннего сгорания, который запускает электрический генератор.

Want to say something? Post a comment

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *