RU2806959C1 - Method for wood briquette pyrolysis - Google Patents
Method for wood briquette pyrolysis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806959C1 RU2806959C1 RU2023110073A RU2023110073A RU2806959C1 RU 2806959 C1 RU2806959 C1 RU 2806959C1 RU 2023110073 A RU2023110073 A RU 2023110073A RU 2023110073 A RU2023110073 A RU 2023110073A RU 2806959 C1 RU2806959 C1 RU 2806959C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- briquette
- pyrolysis
- zone
- heating
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области переработки отходов деревообработки, а именно к способам получения твердого древесного угля из опилки [C10L 5/02, C10L 5/04, C10L 5/06, C10L 5/08, C10L 5/26, C10L 5/28, C10L 5/30, C10L 5/44, C10L 5/442].The invention relates to the field of processing wood waste, namely to methods for producing solid charcoal from sawdust [C10L 5/02, C10L 5/04, C10L 5/06, C10L 5/08, C10L 5/26, C10L 5/28, C10L 5/30, C10L 5/44, C10L 5/442].
Из уровня техники известны СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОСОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПИРОЛИЗА [US2022169936 (A1), опубликовано: 02.06.2022], включающий получение углеродсодержащего сырья, включающего биомассу, необязательную сушку сырья для удаления по меньшей мере части влаги, содержащейся в сырье, необязательную деаэрацию сырья или высушенного сырья для удаления, по меньшей мере, части межпорового кислорода, если таковой имеется, содержащегося в сырье, в зоне пиролиза пиролиз исходного сырья в присутствии практически инертного газа в течение по меньшей мере примерно 10 минут и при температуре пиролиза, выбранной от примерно 250°С до примерно 700°С, для получения горячего пиролизованного твердого вещества, конденсирующиеся пары и неконденсирующиеся газы, отделение, по меньшей мере, части конденсирующихся паров и, по меньшей мере, части неконденсирующихся газов от горячих продуктов пиролиза, в зоне охлаждения охлаждение горячих продуктов пиролиза в присутствии практически инертного газа в течение по меньшей мере около 5 минут и при температуре в зоне охлаждения ниже температуры пиролиза для получения теплых продуктов пиролиза, в необязательном охладителе, который отделен от зоны охлаждения, дальнейшее охлаждение теплых твердых продуктов пиролиза для получения холодных твердых продуктов пиролиза; и извлечение высокоуглеродистого биогенного реагента, содержащего по меньшей мере часть теплых или холодных пиролизованных твердых веществ. Способ может дополнительно включать предварительный нагрев сырья перед стадией в зоне предварительного нагрева в присутствии практически инертного газа в течение по меньшей мере 5 минут и при температуре предварительного нагрева, выбранной от примерно 80°C до примерно 500°С или от примерно 300°С до примерно 400°С. В некоторых вариантах осуществления температуру пиролиза выбирают в диапазоне от около 400°С до около 600°С. В некоторых вариантах осуществления пиролиз на стадии проводят в течение по меньшей мере 20 минут. Температура в зоне охлаждения может быть выбрана, например, в диапазоне от примерно 150°С до примерно 350°С.METHODS AND DEVICES FOR INCREASING THE ENERGY CONTENT OF CARBON MATERIALS AS A RESULT OF PYROLYSIS [US2022169936 (A1), published: 06/02/2022] are known from the prior art, including obtaining carbon-containing raw materials, including biomass, optional drying of raw materials to remove at least to the extent of the moisture contained in the raw material optionally deaerating the feedstock or dried feedstock to remove at least a portion of interstitial oxygen, if any, contained in the feedstock, in the pyrolysis zone, pyrolysis of the feedstock in the presence of a substantially inert gas for at least about 10 minutes and at a pyrolysis temperature, selected from about 250° C. to about 700° C. to produce hot pyrolyzed solids, condensable vapors and non-condensable gases, separating at least a portion of the condensable vapors and at least a portion of the non-condensable gases from the hot pyrolysis products, in a zone cooling cooling the hot pyrolysis products in the presence of a substantially inert gas for at least about 5 minutes and at a temperature in the cooling zone below the pyrolysis temperature to obtain warm pyrolysis products, in an optional cooler that is separate from the cooling zone, further cooling the warm solid pyrolysis products to obtaining cold solid pyrolysis products; and recovering a high carbon biogenic reactant containing at least a portion of the warm or cold pyrolyzed solids. The method may further include preheating the feedstock prior to the step in a preheating zone in the presence of a substantially inert gas for at least 5 minutes and at a preheating temperature selected from about 80°C to about 500°C or from about 300°C to about 400°C. In some embodiments, the pyrolysis temperature is selected in the range from about 400°C to about 600°C. In some embodiments, the pyrolysis step is carried out for at least 20 minutes. The temperature in the cooling zone can be selected, for example, in the range from about 150°C to about 350°C.
Недостатком аналога является слишком большой разброс температур на каждой из стадий пиролиза, что может существенно повлиять на качество конечного продукта.The disadvantage of the analogue is that the temperature spread is too large at each stage of pyrolysis, which can significantly affect the quality of the final product.
Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНОГО БРИКЕТА [RU 2733947 C1, опубликовано: 08.10.2020], содержащий этапы, на которых:The closest in technical essence is the METHOD FOR PRODUCING FUEL BRIQUETTES [RU 2733947 C1, published: 10/08/2020], containing the steps in which:
I) обеспечивают биомассу растительного происхождения;I) provide biomass of plant origin;
II) проводят пиролиз биомассы растительного происхождения с получением карбонизованной биомассы и пиролизной жидкости;II) pyrolysis of plant biomass is carried out to obtain carbonized biomass and pyrolysis liquid;
III) разделяют пиролизную жидкость на водосодержащую фракцию и смолистую фракцию, причем смолистая фракция является несмешиваемой с водосодержащей фракцией;III) separating the pyrolysis liquid into a water-containing fraction and a resinous fraction, wherein the resinous fraction is immiscible with the water-containing fraction;
IV) формируют шихту смешением карбонизованной биомассы с водосодержащей фракцией и смолистой фракцией пиролизной жидкости;IV) a charge is formed by mixing carbonized biomass with a water-containing fraction and a resinous fraction of the pyrolysis liquid;
V) формуют шихту в брикет;V) form the charge into a briquette;
VI) проводят отжиг брикета шихты,VI) the charge briquette is annealed,
причем на этапе IV) формирование шихты включает:and at stage IV) the formation of the charge includes:
– смешивание карбонизованной биомассы с водосодержащей фракцией пиролизной жидкости с получением первой смеси;– mixing carbonized biomass with a water-containing fraction of the pyrolysis liquid to obtain the first mixture;
– смешивание первой смеси со смолистой фракцией пиролизной жидкости с получением шихты.– mixing the first mixture with the resinous fraction of the pyrolysis liquid to obtain a charge.
До этапа VI) дополнительно осуществляют сушку брикета при комнатной температуре в течение периода от 72 до 170 часов.Before step VI), the briquette is additionally dried at room temperature for a period of 72 to 170 hours.
На этапе V) шихту формуют в брикет посредством прессования.In step V), the charge is formed into a briquette by pressing.
Пиролизная жидкость на этапе II) содержит сконденсированные пары парогазовой смеси, полученной при пиролизе биомассы растительного происхождения.The pyrolysis liquid at stage II) contains condensed vapors of a vapor-gas mixture obtained from the pyrolysis of biomass of plant origin.
Полученные на этапе III) смолистая и водосодержащая фракции пиролизной жидкости содержат органические углеродсодержащие соединения, выделяющиеся при пиролизе биомассы растительного происхождения.The resinous and water-containing fractions of the pyrolysis liquid obtained at stage III) contain organic carbon-containing compounds released during the pyrolysis of biomass of plant origin.
Содержание органических углеродсодержащих соединений в смолистой фракции больше содержания органических углеродсодержащих соединений в водосодержащей фракции.The content of organic carbon-containing compounds in the resinous fraction is greater than the content of organic carbon-containing compounds in the water-containing fraction.
На этапе III) разделение пиролизной жидкости на водосодержащую фракцию и смолистую фракцию осуществляют посредством отстаивания.In stage III), the separation of the pyrolysis liquid into a water-containing fraction and a resinous fraction is carried out by settling.
На этапе IV) отношение количества водосодержащей фракции пиролизной жидкости к количеству смолистой фракции пиролизной жидкости составляет от 4,16:1 до 6,25:1 по массе.At stage IV), the ratio of the amount of the water-containing fraction of the pyrolysis liquid to the amount of the resinous fraction of the pyrolysis liquid is from 4.16:1 to 6.25:1 by weight.
На этапе IV) отношение количества карбонизованной биомассы к количеству водосодержащей фракции пиролизной жидкости составляет от 0,76:1 до 0,86:1 по массе.At stage IV), the ratio of the amount of carbonized biomass to the amount of water-containing fraction of the pyrolysis liquid is from 0.76:1 to 0.86:1 by weight.
На этапе IV) отношение количества карбонизованной биомассы к количеству смолистой фракции пиролизной жидкости составляет от 3,16:1 до 5,25:1 по массе.At stage IV), the ratio of the amount of carbonized biomass to the amount of the resinous fraction of the pyrolysis liquid is from 3.16:1 to 5.25:1 by weight.
На этапе V) брикет формуют в виде куба, причем в центральной части куба формируют сквозное отверстие.At stage V), the briquette is formed into a cube, and a through hole is formed in the central part of the cube.
Этап VI) последовательно включает:Stage VI) sequentially includes:
– выдерживание брикета при температуре 150–250°С в течение 18 часов;– keeping the briquette at a temperature of 150–250°C for 18 hours;
– выдерживание брикета при температуре 300°С течение 5-6 часов;– keeping the briquette at a temperature of 300°C for 5-6 hours;
– выдерживание брикета при температуре 500°С в течение 2-3 часов;– keeping the briquette at a temperature of 500°C for 2-3 hours;
– выдерживание брикета при температуре 650-700°С в течение 2-5 часов.– keeping the briquette at a temperature of 650-700°C for 2-5 hours.
На этапе VI) отжиг брикета осуществляют в интервале температур 150-900°С, предпочтительно 150-700°С.At stage VI), the briquette is annealed in the temperature range 150-900°C, preferably 150-700°C.
Основной технической проблемой прототипа является низкая производительность установки для пиролиза древесных брикетов, обусловленная длительными временами выдержки брикетов на каждой из стадий VI этапа и высокая стоимость энергозатрат для этого этапа, что ведет к увеличению себестоимости брикета. Также недостатком прототипа являются высокая температура выдержки брикета на последней стадии VI этапа, что влечет за собой снижение надежности печи пиролиза. The main technical problem of the prototype is the low productivity of the installation for pyrolysis of wood briquettes, due to the long holding times of briquettes at each stage of stage VI and the high cost of energy consumption for this stage, which leads to an increase in the cost of the briquette. Also a disadvantage of the prototype is the high temperature of holding the briquette at the last stage of stage VI, which entails a decrease in the reliability of the pyrolysis furnace.
Задача изобретения состоит в устранении недостатков прототипа.The objective of the invention is to eliminate the shortcomings of the prototype.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности ускоренного получения способом пиролиза древесного брикета с высокими потребительскими качествами, а именно высокими прочностными и энергетическими свойствами.The technical result of the invention is to provide the possibility of accelerated production of wood briquettes with high consumer qualities, namely high strength and energy properties, by pyrolysis.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ пиролиза древесного брикета, характеризующийся тем, что пиролиз брикета, сформированного из предварительно подготовленной по влажности биомассы растительного происхождения осуществляют течение двух часов с равномерной скоростью подвода греющей среды в пиролизной печи конвейерного типа, разделенной на зону входного температурного режима, обеспечивающей нагрев брикета со 120 до 200°С, зону подготовки к экзотермическому процессу древесного угля с нагревом брикета с 200 до 280°С, зону поддержания экзотермического процесса с нагревом брикета с 280 до 450°С, зону отпуска с охлаждением брикета с 450 до 300°С и зону стабилизации брикета с охлаждением его в течение двух часов в среде инертного газа до температуры окружающей среды, при этом перед помещением брикета в пиролизную печь его нагревают до температуры 190-200°С для исключения резких температурных перепадов и растрескивания брикета при входе в зону входного температурного режима.The specified technical result is achieved due to the fact that the method of pyrolysis of wood briquettes, characterized in that the pyrolysis of a briquette formed from biomass of plant origin pre-prepared for moisture content is carried out for two hours with a uniform supply rate of the heating medium in a conveyor-type pyrolysis oven, divided into an input zone temperature regime, providing heating of the briquette from 120 to 200°C, a preparation zone for the exothermic process of charcoal with heating of the briquette from 200 to 280°C, a zone for maintaining the exothermic process with heating of the briquette from 280 to 450°C, a tempering zone with cooling of the briquette with 450 to 300°C and a briquette stabilization zone with its cooling for two hours in an inert gas environment to ambient temperature, while before placing the briquette in a pyrolysis oven it is heated to a temperature of 190-200°C to avoid sudden temperature changes and cracking of the briquette upon entering the input temperature zone.
В частности, для доведения биомассы до влажности для ее брикетирования перед пиролизом биомассу нагревают до температуры 400–600°С. In particular, to bring the biomass to moisture level for briquetting, the biomass is heated to a temperature of 400–600°C before pyrolysis.
Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.
На фиг. 1 показан режимный график проведения экспериментального исследования по пиролизу древесный брикетов.In fig. Figure 1 shows the schedule for conducting an experimental study on the pyrolysis of wood briquettes.
На фиг. 2 показан внешний вид древесного брикета после проведения процесса пиролиза.In fig. Figure 2 shows the appearance of a wood briquette after the pyrolysis process.
На фиг. 3 показана температурно-временная зависимость процесса пиролиза при температуре греющей среды 350 °С.In fig. Figure 3 shows the temperature-time dependence of the pyrolysis process at a heating medium temperature of 350 °C.
На фиг. 4 показана температурно-временная зависимость процесса пиролиза при температуре греющей среды 450 °СIn fig. Figure 4 shows the temperature-time dependence of the pyrolysis process at a heating medium temperature of 450 °C
На фиг. 5 показана температурно-временная зависимость процесса пиролиза при температуре греющей среды 550 °С.In fig. Figure 5 shows the temperature-time dependence of the pyrolysis process at a heating medium temperature of 550 °C.
Осуществление изобретения.Implementation of the invention.
Сущность изобретения заключается в поточном пиролизе древесного брикета, сформированного из предварительно подготовленной древесной опилки в основу которого заложено сохранение тепловой энергии древесного брикета на всех этапах передела опилки. The essence of the invention lies in the in-line pyrolysis of wood briquettes formed from pre-prepared sawdust, which is based on the preservation of the thermal energy of the wood briquette at all stages of sawdust processing.
Для доведения опилки до влажности, необходимой для подготовки ее к брикетированию (около 8 %), опилку нагревают до температуры 400–600°С. После сушки перед подачей ее в пресс-брикетёр для формования опилку нагревают до температуры 200°С, фильера пресс-брикетера нагрета при этом, до температуры, преимущественно, 220°С. А после пресс-брикетера, полученный из опилки древесный брикет подают на отпил, где он теряет до 30°С от своей температуры на выходе из пресс-брикетера. To bring sawdust to the moisture content necessary to prepare it for briquetting (about 8%), the sawdust is heated to a temperature of 400–600°C. After drying, before feeding it into the briquetting press for molding, the sawdust is heated to a temperature of 200°C, while the die of the briquetting press is heated to a temperature of predominantly 220°C. And after the briquetting press, the wood briquette obtained from sawdust is fed to sawing, where it loses up to 30°C from its temperature at the exit from the briquetting press.
Далее древесный брикет с температурой 190-200°С подают в пиролизный конвейер и, чтобы исключить растрескивание уже нагретого брикета при пиролизе, пиролизный конвейер необходимо делить на температурные зоны: Next, the wood briquette with a temperature of 190-200°C is fed into the pyrolysis conveyor and, in order to prevent cracking of the already heated briquette during pyrolysis, the pyrolysis conveyor must be divided into temperature zones:
зона входного температурного режима 120-200°С, для исключения резких температурных перепадов и растрескивания древесного брикета; input temperature zone 120-200°C, to avoid sudden temperature changes and cracking of wood briquettes;
зона подготовки к экзотермическому процессу древесного угля с температурным режимом 200-280°С; preparation zone for the exothermic process of charcoal with a temperature regime of 200-280°C;
зона поддержания экзотермического процесса с температурным режимом 280-500°С; zone for maintaining an exothermic process with a temperature regime of 280-500°C;
зона отпуска с температурным режимом 500-300°С. vacation zone with a temperature range of 500-300°C.
Время пиролиза в предлагаемом способе составляет 2 часа. В отличие от имеющихся способов пиролиза от 6 часов и выше, предлагаемый способ значительно сокращает время производства и снижает себестоимость готовой продукции – древесноугольного брикета.The pyrolysis time in the proposed method is 2 hours. In contrast to existing pyrolysis methods of 6 hours and above, the proposed method significantly reduces production time and reduces the cost of the finished product - charcoal briquettes.
При таком способе древесный брикет не успевает охладиться и сохраняет тепловую энергию, при котором затраты на нагрев холодного брикета для пиролиза снижаются значительным образом. With this method, the wood briquette does not have time to cool and retains thermal energy, in which the cost of heating a cold briquette for pyrolysis is significantly reduced.
После пиролиза древесноугольный брикет подвергают принудительному и поэтапному охлаждению в среде инертного газа, позволяющего, в том числе, нейтрализовать свободные радикалы и исключить реакционную способность древесноугольного брикета на выходе, влияющего на его самовозгорание. Технологический процесс охлаждения и стабилизации древесноугольного брикета, после его термического разложения, в среде инертного газа осуществляется непрерывным конвейерным способом, инертный газ (азот) при этом подают в объёме, необходимом для охлаждения древесноугольного брикета до температуры окружающей среды. After pyrolysis, the charcoal briquette is subjected to forced and step-by-step cooling in an inert gas environment, which allows, among other things, to neutralize free radicals and eliminate the reactivity of the charcoal briquette at the outlet, which affects its spontaneous combustion. The technological process of cooling and stabilizing the charcoal briquette, after its thermal decomposition, in an inert gas environment is carried out in a continuous conveyor manner, while inert gas (nitrogen) is supplied in the volume necessary to cool the charcoal briquette to ambient temperature.
Охлаждение в среде инертного газа осуществляют в течение 2-х часов, при этом процесс охлаждения совмещают с процессом стабилизации. Cooling in an inert gas environment is carried out for 2 hours, and the cooling process is combined with the stabilization process.
Таким образом, весь цикл непрерывного производства древесноугольного брикета составляет 4-5 часа. В предлагаемом способе пиролиз проходит за 2 часа и охлаждение, совмещенное со стабилизацией, проходит еще за 2 часа. В итоге за 4 часа выходит готовый продукт к упаковке, безопасной транспортировке и хранении. Thus, the entire cycle of continuous production of charcoal briquettes is 4-5 hours. In the proposed method, pyrolysis takes place in 2 hours and cooling, combined with stabilization, takes place in another 2 hours. As a result, in 4 hours the product is ready for packaging, safe transportation and storage.
Предлагаемый способ пиролиза древесного брикета, полученного прессованием опилок, позволяет значительно снизить производственные затраты, себестоимость конечного продукта, а также повысить технологичность производства древесного угля. The proposed method of pyrolysis of wood briquettes obtained by pressing sawdust can significantly reduce production costs, the cost of the final product, and also improve the manufacturability of charcoal production.
В отличие от известных способов производства древесных брикетов методом смешения связующих химических элементов и брикетированием, предлагаемый способ исключает какие-либо примеси и формирует брикет исключительно из чистых древесных опилок.Unlike known methods for producing wood briquettes by mixing chemical binders and briquetting, the proposed method excludes any impurities and forms a briquette exclusively from pure sawdust.
В 2021 году автором изобретения был проведен ряд экспериментов по изучению процессов, протекающих при пиролизе биомассы описанным выше способом. In 2021, the author of the invention conducted a series of experiments to study the processes occurring during the pyrolysis of biomass using the method described above.
Основной целью этих экспериментов было определение оптимальной температуры пиролиза брикетов. The main goal of these experiments was to determine the optimal temperature for pyrolysis of briquettes.
В качестве исходных образцов для проведения процесса пиролиза были использованы древесные брикеты из сосновых опилок, предварительно измельченных и высушенных до состояния приемлемого для технологического применения. Для минимизации погрешности и сокращения влияния неоднородности используемого сырья (сосновые опилки), исходные образцы брикетов были извлечены из одной произведенной партии.Wood briquettes made from pine sawdust, previously crushed and dried to a state acceptable for technological use, were used as initial samples for the pyrolysis process. To minimize the error and reduce the influence of the heterogeneity of the raw materials used (pine sawdust), the original briquette samples were taken from one produced batch.
Технические характеристики древесного брикета приведены в таблице 1.Technical characteristics of wood briquettes are given in Table 1.
Таблица 1.Table 1.
Из таблицы 1 видно, что образец брикета имеет низкое значение зольности Ad=1.2 % и высокое содержание летучих веществ Vdaf=80.2 %.From Table 1 it can be seen that the briquette sample has a low ash content A d =1.2% and a high content of volatile substances V daf =80.2%.
Для проведения экспериментов была собрана экспериментальная установка пиролиза, представляющая трубчатый реактор паровой газификации, внутри которого смонтирована емкость из металлической сетки для помещения в нее брикета. Реактор снабжен регулирующим устройством для высвобождения парогазовой смеси, образующейся в ходе процесса пиролиза древесного брикета.To carry out the experiments, an experimental pyrolysis installation was assembled, representing a tubular steam gasification reactor, inside of which a container made of metal mesh was mounted to place a briquette in it. The reactor is equipped with a control device for releasing the vapor-gas mixture formed during the process of pyrolysis of wood briquettes.
Подвод тепла к камере пиролиза реализовали косвенным способом, то есть путем подвода предварительно нагретого до заданной температуры воздуха с помощью терморегулируемых воздухонагревателей. Для контроля температуры внутри реактора, образца древесного брикета и в межтрубном продуваемом зазоре для поддержания постоянной равномерной температуры, обеспечивающийся воздухонагревателем реактор снабжен термопарами, подключенными к многоканальному термопарному регистратору. Термопара, используемая для определения температуры образца смонтирована на крышке камеры пиролиза была установлена в технологическое отверстие древесного брикета на 1/4 его длины.Heat was supplied to the pyrolysis chamber indirectly, that is, by supplying air preheated to a given temperature using temperature-controlled air heaters. To control the temperature inside the reactor, the wood briquette sample and in the inter-pipe blown gap to maintain a constant uniform temperature, the reactor provided by the air heater is equipped with thermocouples connected to a multi-channel thermocouple recorder. The thermocouple used to determine the temperature of the sample was mounted on the lid of the pyrolysis chamber and was installed in the technological hole of the wood briquette at 1/4 of its length.
Для конденсации образующихся в процессе пиролиза древесного брикета парогазовых продуктов установка снабжена трубчатым конденсатором и отстойной емкостью. To condense the steam and gas products formed during the pyrolysis of wood briquettes, the installation is equipped with a tubular condenser and a settling tank.
Охлаждение конденсатора выполнено водяным, для чего предусмотрен циркуляционный насос, подключенный к емкости с водой. Компенсация охлаждающей воды осуществлялась с помощью водоподготовительной установки. The condenser is cooled by water, for which a circulation pump is provided, connected to a container with water. Cooling water compensation was carried out using a water treatment plant.
Удаление газофазных продуктов пиролиза после конденсации парогазовой смеси в установке выполнено с помощью вытяжной вентиляции.Removal of gas-phase pyrolysis products after condensation of the vapor-gas mixture in the installation is carried out using exhaust ventilation.
Анализировались следующие газофазные соединения: СО, СО2, H2 и СН4 The following gas-phase compounds were analyzed: CO, CO 2 , H 2 and CH 4
Режимный график проведения экспериментального исследования представлен на фиг. 1.The schedule for conducting the experimental study is presented in Fig. 1.
Первая стадия проведения эксперимента была связана с прогревом образца до температуры 200 °С. Далее брикет прогревали до 220 °С (II стадия), после чего осуществляли интенсивный подвод тепла к камере пиролиза до заданной температуры: 350 °С, 450 °С, 550 °С (III стадия). По завершению экзотермического эффекта, определяемого с помощью скорости нагрева термопары Т3 на установленной “температурной полке” (IV стадия) начиналось охлаждение углеродного образца до температуры Т3=80 °С. Охлаждение производили путем подвода воздуха комнатной температуры через отключенные воздухонагреватели. На всех периодах проведения эксперимента частота работа воздушных нагнетателей было постоянным (20 МГц). В качестве дополнительного охлаждения полученного углеродного образца использовали газообразный азот. Расход азота (5 л/мин) регулировался с помощью механического азотного ротаметра ЭМИС-МЕТА. Выбор данного режима проведения эксперимента был основан исходя из непрерывного производственного технологического цикла, заключающегося в формировании древесного брикета (брикетирования) и его последующего пиролиза и охлаждения. Таким образом использование стадии прогрева в настоящих условиях позволило обеспечить физическое моделирование технологического блока по производству древесного брикета.The first stage of the experiment involved heating the sample to a temperature of 200 °C. Next, the briquette was heated to 220 °C (stage II), after which intensive heat was supplied to the pyrolysis chamber to a given temperature: 350 °C, 450 °C, 550 °C (stage III). Upon completion of the exothermic effect, determined using the heating rate of the thermocouple T 3 on the installed “temperature shelf” (stage IV), cooling of the carbon sample began to temperature T 3 = 80 °C. Cooling was carried out by supplying air at room temperature through disconnected air heaters. During all periods of the experiment, the operating frequency of the air blowers was constant (20 MHz). Nitrogen gas was used as additional cooling for the resulting carbon sample. Nitrogen flow (5 l/min) was regulated using a mechanical nitrogen rotameter EMIS-META. The choice of this experimental mode was based on the continuous production technological cycle, which consists in the formation of a wood briquette (briquetting) and its subsequent pyrolysis and cooling. Thus, the use of the heating stage under real conditions made it possible to provide physical modeling of the technological unit for the production of wood briquettes.
Выбор исследуемых характеристик в большей степени был основан на требованиях, предъявляемых к энергетическим топливам (ГОСТ 7657-84) и адсорбирующим материалам (как рыночно потенциального продукта).The choice of the studied characteristics was largely based on the requirements for energy fuels (GOST 7657-84) and adsorbent materials (as a potential market product).
Определение параметров влажности, зольности и выхода летучих веществ для всех рассматриваемых образцов было выполнено в соответствии со стандартными методиками ГОСТ Р 52911-2013, ГОСТ 11022-95 и ГОСТ Р 55660-2013.The determination of the parameters of humidity, ash content and the yield of volatile substances for all samples under consideration was carried out in accordance with standard methods GOST R 52911-2013, GOST 11022-95 and GOST R 55660-2013.
Определение теплотворной способности рассматриваемых образцов (высшей и низшей теплоты сгорания) было выполнено в соответствии со стандартной методикой ГОСТ 147-2013 и бомбового калориметра АБК-1. Анализ проводился в изотермическом режиме при постоянном объеме в среде сжатого кислорода под давлением 30 кгс/см2. The determination of the calorific value of the samples under consideration (higher and lower calorific value) was carried out in accordance with the standard GOST 147-2013 methodology and the ABK-1 bomb calorimeter. The analysis was carried out in isothermal mode at constant volume in a compressed oxygen environment under a pressure of 30 kgf/cm 2 .
Содержание углерода, водорода, азота и серы в исследуемых образцах определяли с использованием анализатора Flash 2000 CHNS. Анализы проводились в оловянных тиглях с использованием V2O5. The content of carbon, hydrogen, nitrogen and sulfur in the studied samples was determined using a Flash 2000 CHNS analyzer. Analyzes were carried out in tin crucibles using V 2 O 5 .
Удельная поверхность и размер пор частиц, исследуемых образцов, были определены методом низкотемпературной адсорбции азота (БЭТ) с помощью анализатора удельной поверхности ASAP 2400. Перед проведением анализа образцы вакуумировали в течение 2 ч при 150 °С.The specific surface area and pore size of the particles of the studied samples were determined by low-temperature nitrogen adsorption (BET) using an ASAP 2400 specific surface area analyzer. Before analysis, the samples were evacuated for 2 hours at 150 °C.
Исследование морфологических характеристик, исследуемых образцов проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа SEM JSM-6000С при различных увеличениях (×500-×1000).The study of the morphological characteristics of the samples under study was carried out using a scanning electron microscope SEM JSM-6000C at various magnifications (×500-×1000).
Исследование термического разложения (в режимах окисления и пиролиза) исследуемых образцов осуществлялось с помощью дифференциального-термического анализатора Netzsch STA 449 F3 Jupiter. Анализ проводился при скорости нагрева 10 °С/мин в корундовом тигле с перфорированной крышкой до температуры 1000 °С с целью обеспечения полноты превращения образца. Образец массой ~20 мг распределялся ровным слоем по дну тигля и помещался в поток окислительной (воздух) и инертной (аргон) среды. Скорость газового потока составляла 150 мл/мин. Все эксперименты проводились в условиях атмосферного давления. Сравнительная оценка параметров процесса термического преобразования образцов разных средах проводилась на основании физических величин (температура, время и скорость процесса), вычисленных графическим методом с помощью ТГ-, ДТГ- и ДСК-кривых. В т.ч. было выполнено качественное определение состава газообразных продуктов термического разложения на выходе из термического анализатора. Анализ проводился с помощью сопрягаемого квадрупольного масс-спектрометра QMS 403 D Aeolos (Netzsch, Germany).The study of thermal decomposition (in oxidation and pyrolysis modes) of the samples under study was carried out using a Netzsch STA 449 F3 Jupiter differential thermal analyzer. The analysis was carried out at a heating rate of 10 °C/min in a corundum crucible with a perforated lid to a temperature of 1000 °C in order to ensure complete transformation of the sample. A sample weighing ~20 mg was distributed in an even layer along the bottom of the crucible and placed in a stream of oxidizing (air) and inert (argon) medium. The gas flow rate was 150 ml/min. All experiments were carried out under atmospheric pressure conditions. A comparative assessment of the parameters of the process of thermal transformation of samples in different media was carried out on the basis of physical quantities (temperature, time and process speed) calculated graphically using TG, DTG and DSC curves. Incl. A qualitative determination of the composition of gaseous products of thermal decomposition at the outlet of the thermal analyzer was carried out. The analysis was carried out using a coupled quadrupole mass spectrometer QMS 403 D Aeolos (Netzsch, Germany).
Внешний вид древесного брикета после проведения процесса пиролиза представлен на фиг.2.The appearance of the wood briquette after the pyrolysis process is shown in Fig.2.
На фигурах 3-5 показаны температурно-временный зависимости процесса пиролиза при различной температуре греющей среды, где I – температура греющей среды, II – температура исследуемого образца, III – температура в камера пиролиза.Figures 3-5 show the temperature-time dependence of the pyrolysis process at different temperatures of the heating medium, where I is the temperature of the heating medium, II is the temperature of the sample under study, III is the temperature in the pyrolysis chamber.
На фигуре 3 показана температурно-временная зависимость процесса пиролиза при температуре греющей среды 350 °С.Figure 3 shows the temperature-time dependence of the pyrolysis process at a heating medium temperature of 350 °C.
Процесс, протекающий при температуре подвода греющей среды 350 °С (см.Фиг.3) характеризуется более плавным увеличением температуры образца. Экзотермический эффект, проявляющийся в интенсивном росте температуры образца (скорость увеличения температуры образца >> скорости подвода греющей среды) можно наблюдать в области температур T2 (температура образца) от 300 С до 378 °С во временном интервале от 18:01:27-18:10:25 (общее время 8 минут 58 секунд). Таким образом, скорость увеличения температуры образца составила около 8,7 °С/мин при скорости подвода греющей среды 1,5 °С/мин в том же временном интервале. После достижения максимальной температуры образца (378 °С) начиналось снижение параметра Т2 (на 4 °С), что можно связать с окончанием экзотермического эффекта и интенсивной убыли массы древесного брикета (процесса пиролиза). Далее начиналось охлаждение образца. The process occurring at a heating medium supply temperature of 350 °C (see Figure 3) is characterized by a more gradual increase in the temperature of the sample. The exothermic effect, manifested in an intense increase in sample temperature (rate of increase in sample temperature >> rate of supply of heating medium) can be observed in the temperature range T2 (sample temperature) from 300 C to 378 ° C in the time interval from 18:01:27-18 :10:25 (total time 8 minutes 58 seconds). Thus, the rate of increase in sample temperature was about 8.7 °C/min at a heating medium supply rate of 1.5 °C/min in the same time interval. After reaching the maximum temperature of the sample (378 °C), the T2 parameter began to decrease (by 4 °C), which can be associated with the end of the exothermic effect and the intensive loss of wood briquette mass (pyrolysis process). Next, cooling of the sample began.
На фигуре 4 показана температурно-временная зависимость процесса пиролиза при температуре греющей среды 450 °СFigure 4 shows the temperature-time dependence of the pyrolysis process at a heating medium temperature of 450 °C
Процесс, протекающий при температуре подвода греющей среды 450 °С (см.Фиг.4) в отличии от 350 °С характеризуется более резким увеличением температуры образца. Для данного режима экзотермический эффект наблюдается в температурной области 288 – 476.5 °С во временном интервале от 18:51:37-19:00:27 (общее время 8 минут 50 секунд). Таким образом, скорость увеличения температуры образца составила около 20,9 °С/мин при скорости подвода греющей среды 2,0 °С/мин в том же временном интервале. После достижения максимальной температуры образца при экзотермическом эффекте (476,5 °С) наблюдалось замедление скорости повышения температуры Т2 (до 3 °С/мин), что можно связать с окончанием экзотермического эффекта и интенсивной убыли массы древесного брикета (процесса пиролиза). Далее начиналось охлаждение образца. The process occurring at a heating medium supply temperature of 450 °C (see Figure 4), in contrast to 350 °C, is characterized by a sharper increase in the temperature of the sample. For this mode, the exothermic effect is observed in the temperature range of 288 – 476.5 °C in the time interval from 18:51:37-19:00:27 (total time 8 minutes 50 seconds). Thus, the rate of increase in the sample temperature was about 20.9 °C/min at a heating medium supply rate of 2.0 °C/min in the same time interval. After reaching the maximum temperature of the sample during the exothermic effect (476.5 °C), a slowdown in the rate of increase in temperature T2 was observed (up to 3 °C/min), which can be associated with the end of the exothermic effect and the intensive loss of mass of the wood briquette (pyrolysis process). Next, cooling of the sample began.
На фигуре 5 показана температурно-временная зависимость процесса пиролиза при температуре греющей среды 550 °С.Figure 5 shows the temperature-time dependence of the pyrolysis process at a heating medium temperature of 550 °C.
Процесс протекающий при температуре греющей среды T3 = 550 °C имеет схожую температурно-временную зависимость, что и для процесса, реализованного при Т3=450 °С, ввиду того, что экзотермический эффект был зафиксирован приблизительно в той же температурной области - 299-461,5 °С с общим временем 7 мин 24 с (временной интервал 18:07:40-18:15:04). Таким образом, скорость увеличения температуры в данной области составила 22,3 °С/мин. Далее (свыше 461,5 °С) скорость увеличения температуры образца совпадала со скоростью подвода температуры греющей среды (около 2 °С/мин). The process occurring at the temperature of the heating medium T 3 = 550 °C has a similar temperature-time dependence as for the process implemented at T 3 = 450 °C, due to the fact that the exothermic effect was recorded in approximately the same temperature range - 299- 461.5 °C with a total time of 7 min 24 s (time interval 18:07:40-18:15:04). Thus, the rate of temperature increase in this area was 22.3 °C/min. Further (over 461.5 °C), the rate of increase in the temperature of the sample coincided with the rate of supply of the temperature of the heating medium (about 2 °C/min).
Из полученных температурно-временных зависимостей, характеризующих процесс пиролиза, можно заключить, что температура начала процесса берет начало от 290-300 °С. При этом процесс пиролиза в настоящих условиях завершается при температуре не более 470 °С.From the obtained temperature-time dependencies characterizing the pyrolysis process, we can conclude that the temperature at the beginning of the process starts from 290-300 °C. In this case, the pyrolysis process under current conditions is completed at a temperature of no more than 470 °C.
Анализ материального баланса полученных продуктов пиролиза при различных температурах пиролиза показал, что с ростом температуры греющей среды наблюдается уменьшение массы углерода с 31,0 до 25,7 мас.% (данные приведены с учетом усреднения полученных результатов), что связано с интенсификацией высвобождения летучих соединений и повышением степени конверсии процесса пиролиза. При этом значения полученных масс при температуре греющей среды 550 °С были одинаковы и составили 25,7 мас.%. Расхождение значений полученной массы углерода в условиях подвода греющей среды при температуре 350 °С (разница 3,4 мас.%) и 450 °С (разница 1,1 мас.%) может быть связана с неоднородностью исходного брикета, а также различным временем осушки и охлаждением образцов. При рассмотрении результатов экспериментов можно заключить, что с ростом температуры подвода греющей среды увеличивается выход жидких углеводородов и снижается объем газофазных продуктов.Analysis of the material balance of the obtained pyrolysis products at different pyrolysis temperatures showed that with increasing temperature of the heating medium, a decrease in the mass of carbon is observed from 31.0 to 25.7 wt.% (data are given taking into account the averaging of the results obtained), which is associated with the intensification of the release of volatile compounds and increasing the degree of conversion of the pyrolysis process. In this case, the values of the obtained masses at a heating medium temperature of 550 °C were the same and amounted to 25.7 wt.%. The discrepancy in the values of the obtained mass of carbon under conditions of supplying a heating medium at a temperature of 350 °C (difference 3.4 wt.%) and 450 °C (difference 1.1 wt.%) may be associated with the heterogeneity of the initial briquette, as well as different drying times and cooling of samples. When considering the experimental results, we can conclude that with increasing temperature of the heating medium supply, the yield of liquid hydrocarbons increases and the volume of gas-phase products decreases.
Анализ экспериментов при 350 °С позволяет установить, что с увеличение скорости интенсивного нагрева интенсивность образования оксида углерода не изменяется и составил, что в первом, что и во втором эксперименте 22 мин. Далее выделение СО снижается, что связана с завершением экзотермического процесса и включением подачи инертного газа, при установлении температурного равновесия образование оксида углерода восстанавливалось.Analysis of experiments at 350 °C allows us to establish that with an increase in the rate of intense heating, the intensity of carbon monoxide formation does not change and was 22 minutes in both the first and second experiments. Further, the release of CO decreases, which is associated with the completion of the exothermic process and the inclusion of an inert gas supply; when temperature equilibrium was established, the formation of carbon monoxide was restored.
Анализ экспериментов при 450 °С позволяет установить, что второй режим прогрева образца сдвигает процесс по времени в правую сторону. Процесс образования оксида углерода увеличился на 10 мин.Analysis of experiments at 450 °C allows us to establish that the second mode of sample heating shifts the process in time to the right. The process of carbon monoxide formation increased by 10 minutes.
Анализ экспериментов при 550 °С позволяет установить обратный эффект, второй режим ускорил процесс интенсификации образования оксидов углерода, при этом процесс увеличен по длительности на 14 минут по отношению к первому режиму пиролиза образца.Analysis of experiments at 550 °C allows us to establish the opposite effect; the second mode accelerated the process of intensifying the formation of carbon oxides, while the process duration was increased by 14 minutes relative to the first mode of sample pyrolysis.
Анализ газовой среды показал, что оптимальный режим при первом режиме прогрева образцов является температура 450 °С. При данной температуре наибольший процесс образования оксидов углерода.Analysis of the gas environment showed that the optimal mode for the first mode of heating the samples is a temperature of 450 °C. At this temperature, the formation of carbon oxides is greatest.
Анализ второго режима прогрева показал, что с увеличением температуры увеличивается временной промежуток образования оксидов углерода до 51 минут по отношению к более низкой температуре, при которой процесс интенсификации составил 28 мин.Analysis of the second heating mode showed that with increasing temperature, the time interval for the formation of carbon oxides increases to 51 minutes relative to a lower temperature, at which the intensification process was 28 minutes.
Анализ температурного нагрева при 450 °С показал, что изменение режимов не влияет на снижение интенсификации диоксида углерода.Analysis of temperature heating at 450 °C showed that changing the modes does not affect the reduction in carbon dioxide intensification.
Анализ прогрева образцов при температуре 550 °С показал, что при втором режиме выделение диоксида углерода значительно ниже и интенсивность по сравнению с первым режимом составила на 20 минут меньше.Analysis of the heating of samples at a temperature of 550 °C showed that in the second mode, the release of carbon dioxide is significantly lower and the intensity was 20 minutes less compared to the first mode.
Анализ первого режима прогрева при трех температурах показал, что интенсификация диоксида углерода снижается при более низкой температуре пиролиза (350 °С).Analysis of the first heating mode at three temperatures showed that the intensification of carbon dioxide decreases at a lower pyrolysis temperature (350 °C).
Анализ второго режима прогрева при трех температурах показал, что интенсификация диоксида углерода снижается при более низкой температуре пиролиза.Analysis of the second heating mode at three temperatures showed that the intensification of carbon dioxide decreases at a lower pyrolysis temperature.
Анализ образования водорода при температуре 350 °С при двух режимах показал, что изменение режима не влияет на интенсивность и время образования водорода. Analysis of hydrogen formation at a temperature of 350 °C in two modes showed that changing the mode does not affect the intensity and time of hydrogen formation.
Анализ двух режимов при 450 °С показал, что режим нагрева на время выделения водорода не влияет, но при первом режиме пиролиза интенсификация водорода на 2,1 %, провал пика наблюдается за счет включения продувки азотом.An analysis of two modes at 450 °C showed that the heating mode does not affect the time of hydrogen evolution, but in the first pyrolysis mode, hydrogen intensification is by 2.1%, and a dip in the peak is observed due to the inclusion of nitrogen purge.
Анализ двух режимов пиролиза показал, что наилучшая интенсификация водорода до 14 % составила при втором режиме пиролиза, но сам процесс прерван, в связи с включением охлаждения азотом образца.Analysis of two pyrolysis modes showed that the best intensification of hydrogen up to 14% was in the second pyrolysis mode, but the process itself was interrupted due to the inclusion of nitrogen cooling of the sample.
Анализ пиролиза при первом режиме и при трех температурах, показал, что наибольшая концентрация водорода выделялась при температуре 450 °С, но длительность стабильного выделения водорода была установлена при температурном режиме в 550 °С.Analysis of pyrolysis in the first mode and at three temperatures showed that the highest concentration of hydrogen was released at a temperature of 450 °C, but the duration of stable hydrogen evolution was established at a temperature of 550 °C.
Анализ пиролиза при втором режиме и при трех температурах, показал, что наибольшая концентрация водорода выделялась при температуре 550 °С и длительность стабильного выделения водорода была установлена при этой же температуре.Analysis of pyrolysis in the second mode and at three temperatures showed that the highest concentration of hydrogen was released at a temperature of 550 °C and the duration of stable hydrogen release was established at the same temperature.
Анализ образования метана при температуре 350 °С при двух режимах показал, что при втором режиме пиролиза временной промежуток стабильного выделения метана составил на 5 минут больше, чем при первом режиме. Analysis of methane formation at a temperature of 350 °C in two modes showed that in the second pyrolysis mode, the time period of stable methane release was 5 minutes longer than in the first mode.
Анализ двух режимов при 450 °С показал, что режим нагрева на время выделения метана не влияет, но при первом режиме пиролиза интенсификация метана была на 4 мин дольше, чем при втором режиме.Analysis of two modes at 450 °C showed that the heating mode does not affect the time of methane release, but in the first pyrolysis mode, the intensification of methane was 4 minutes longer than in the second mode.
Анализ двух режимов пиролиза показал, что наилучший процесс интенсификации метана по временному промежутку оказался эффективнее при первом режиме пиролиза, разница составила более 3 минут.Analysis of two pyrolysis modes showed that the best process of methane intensification over time was more effective in the first pyrolysis mode, the difference was more than 3 minutes.
Анализ пиролиза при первом режиме и при трех температурах, показал, что наибольшая длительность стабильного выделения метана была установлена при температурных режимах 450 °С и 550 °С (примерно одинаковый временной промежуток).Analysis of pyrolysis in the first mode and at three temperatures showed that the longest duration of stable methane release was established at temperature regimes of 450 °C and 550 °C (approximately the same time period).
Анализ пиролиза при втором режиме и при трех температурах, также показал, что наибольшая длительность стабильного выделения метана была установлена при температурных режимах 450 °С и 550 °С (примерно одинаковый временной промежуток).Analysis of pyrolysis in the second mode and at three temperatures also showed that the longest duration of stable methane release was established at temperature regimes of 450 °C and 550 °C (approximately the same time period).
В таблице 2 приведены результаты определения технических характеристик исходного образца древесного брикета и углеродного остатка после проведения процесса пиролиза.Table 2 shows the results of determining the technical characteristics of the initial sample of wood briquettes and carbon residue after the pyrolysis process.
Таблица 2.Table 2.
Высокое значение влажности образца при пиролизе при температуре 350 °С при проведении первого опыта обусловлено добавлением воды для исключения самовозгорания образца (повышения его температуры поверхности) при комнатных условиях хранения.The high value of sample humidity during pyrolysis at a temperature of 350 °C during the first experiment is due to the addition of water to prevent spontaneous combustion of the sample (increase in its surface temperature) under room storage conditions.
Из таблицы 2 следует, что с увеличением температуры греющей среды снижается значение выхода летучих веществ с 44,8 до 8,0 %. Обратную зависимость имеет изменение теплоты сгорания (от 28,5 до 33,55 МДж/кг), что связано с повышением карбонизации (содержания углерода) исследуемых образцов. При этом значение зольности для экспериментального режима 350 и 450 °С практически не отличается и сохраняется на уровне 2,3-2,4 %. При повышении температуры греющей среды до 550 °С, значение данного параметра увеличивается на 0,4 % и составляет 2,8 %. Анализируя изменение значений теплоты сгорания исследуемых образцов видно, что при проведении процесса пиролиза при температуре свыше 450 °С, наблюдается замедление динамики увеличения данного параметра. Это обусловлено тем, что экзотермическая стадия процесса пиролиза древесного брикета протекает в температурном интервале 400-500 °С.From Table 2 it follows that with an increase in the temperature of the heating medium, the yield of volatile substances decreases from 44.8 to 8.0%. The inverse relationship has a change in the heat of combustion (from 28.5 to 33.55 MJ/kg), which is associated with an increase in carbonization (carbon content) of the studied samples. At the same time, the ash content value for the experimental modes of 350 and 450 °C is practically the same and remains at the level of 2.3-2.4%. When the temperature of the heating medium increases to 550 °C, the value of this parameter increases by 0.4% and amounts to 2.8%. Analyzing the change in the values of the heat of combustion of the studied samples, it is clear that when the pyrolysis process is carried out at temperatures above 450 °C, a slowdown in the dynamics of the increase in this parameter is observed. This is due to the fact that the exothermic stage of the wood briquette pyrolysis process occurs in the temperature range of 400-500 °C.
В таблице 3 представлены результаты анализа элементного состава образцов углерода в мас.%, полученных в результате пиролиза древесных брикетов при различной температуре греющей среды. Данные в таблице 3 приведены на сухую массу образца. Перед проведением анализа образцы высушиваются в муфельной печи при температуре 105 °С.Table 3 presents the results of the analysis of the elemental composition of carbon samples in wt.% obtained as a result of the pyrolysis of wood briquettes at different temperatures of the heating medium. The data in Table 3 is based on the dry weight of the sample. Before analysis, samples are dried in a muffle furnace at a temperature of 105 °C.
Таблица 3.Table 3.
Из результатов анализа элементного состава видно, что с ростом температуры греющей среды возрастает уровень карбонизации (повышается содержание углерода) исследуемых образцов углерода, что связано с удалением кислородосодержащих функциональных групп и групп СxHy. From the results of the analysis of the elemental composition it is clear that with increasing temperature of the heating medium, the level of carbonization (carbon content increases) of the studied carbon samples increases, which is associated with the removal of oxygen-containing functional groups and CxHy groups.
Результаты растровой электронной микроскопии показали, что частицы образца древесного брикета характеризуются, как сферической, так и продолговатой цилиндрической формой с неоднородной поверхностью. При большем приближении частиц, наблюдались поверхностные неровности и закрытые каналы, что позволяет заключить о наличии предпосылок для дальнейшего формирования пористой структуры при термическом воздействии (пиролиз).The results of scanning electron microscopy showed that the particles of the wood briquette sample are characterized by both spherical and oblong cylindrical shapes with a non-uniform surface. As the particles approached closer, surface irregularities and closed channels were observed, which allows us to conclude that there are prerequisites for the further formation of a porous structure under thermal influence (pyrolysis).
В результате проведения пиролиза частицы приобретают более аморфный вид с большим числом открытых пор и каналов. При этом общая форма частиц, (сферический и продолговатый вид) сохраняется. Наиболее яркие изменения прослеживаются для образца, полученного при температуре пиролиза 450 °С, что выражается в увеличении количества и размера открытых пор и каналов. As a result of pyrolysis, the particles acquire a more amorphous appearance with a large number of open pores and channels. At the same time, the general shape of the particles (spherical and oblong appearance) is preserved. The most striking changes can be observed for the sample obtained at a pyrolysis temperature of 450 °C, which is expressed in an increase in the number and size of open pores and channels.
Проводя общий анализ полученных результатов процесса пиролиза древесных брикетов со стадиями предварительного прогрева (при 200 °С) и температурах подводящей среды: 350 °С, 450 С и 550 °С установлено:Carrying out a general analysis of the obtained results of the pyrolysis process of wood briquettes with preheating stages (at 200 °C) and supply medium temperatures: 350 °C, 450 °C and 550 °C, it was established:
1) с повышение температуры (от 350 °С до 550 °С), ввиду интенсификации высвобождения летучих соединений и повышения степени конверсии процесса пиролиза, сокращается выход углеродного остатка с 31,0 до 25,7 мас.%;1) with an increase in temperature (from 350 °C to 550 °C), due to the intensification of the release of volatile compounds and an increase in the degree of conversion of the pyrolysis process, the yield of carbon residue is reduced from 31.0 to 25.7 wt.%;
2) начальная температура процесса пиролиза древесного брикета начинается в температурном диапазоне 290-300 °С. При этом характерная температура завершения процесса пиролиза была зафиксирована при температуре около 470 °С;2) the initial temperature of the wood briquette pyrolysis process begins in the temperature range of 290-300 °C. In this case, the characteristic temperature of the completion of the pyrolysis process was recorded at a temperature of about 470 °C;
3) при пиролизе древесного брикета при температурах греющей среды 450 °С и 550 °С экзотермический эффект был зафиксирован в температурном интервале 300-480 °С, при этом скорость нагрева образца для данных режимов составила 20,9 °С/мин и 22,3 °С/мин соответственно, а для режима, протекающего при температуре 350 °С, полученное значение скорости изменения температуры образца на стадии процесса пиролиза составило 8,7 °С/мин. Скорость подвода греющей среды была практически постоянна и составляла около 2 °С/мин для всех режимов;3) during the pyrolysis of wood briquettes at heating medium temperatures of 450 °C and 550 °C, the exothermic effect was recorded in the temperature range of 300-480 °C, while the heating rate of the sample for these modes was 20.9 °C/min and 22.3 °C/min, respectively, and for the mode operating at a temperature of 350 °C, the obtained value of the rate of change in the temperature of the sample at the stage of the pyrolysis process was 8.7 °C/min. The heating medium supply rate was almost constant and amounted to about 2 °C/min for all modes;
4) для оксида углерода оптимальная температура выделения составила 450 °С (режим №2), для снижения диоксида углерода оптимальный режим составляет 350 °С, среднее значение диоксида углерода выделяется при 450 °С (режим №2). Для водорода режим №1 оптимален при температурах 450 °С, в режиме пиролиза №2 при температуре 550 °С. Для метана оптимум находится при температурах 450 и 550 °С на втором режиме пиролиза;4) for carbon monoxide, the optimal release temperature was 450 °C (mode No. 2); for reducing carbon dioxide, the optimal mode was 350 °C; the average value of carbon dioxide was released at 450 °C (mode No. 2). For hydrogen, mode No. 1 is optimal at temperatures of 450 °C, in pyrolysis mode No. 2 at a temperature of 550 °C. For methane, the optimum is at temperatures of 450 and 550 °C in the second pyrolysis mode;
5) с увеличением температуры греющей среды снижается значение выхода летучих веществ с 44,8 до 8,0 %, что связано с увеличением степени конверсии процесса пиролиза, при этом значение зольного остатка остается практически неизменным и определяется содержанием 2,3-2,8 мас.%;5) with an increase in the temperature of the heating medium, the value of the yield of volatile substances decreases from 44.8 to 8.0%, which is associated with an increase in the degree of conversion of the pyrolysis process, while the value of the ash residue remains practically unchanged and is determined by the content of 2.3-2.8 wt. .%;
6) значение теплоты сгорания, полученных образцов углерода с увеличением температуры греющей среды составило 28,5-33,5 МДж/кг (6804,3-8006,4 ккал/кг). При этом разница значений теплоты сгорания углерода между температурными режимами проведения процесса пиролиза 450 °С и 550 °С составило около 1 МДж/кг (Qir при 450 °С = 32,5 МДж/кг). Таким образом, можно заключить, что оптимальная температура для получения биотоплива для энергетического использования составляет 450 °С;6) the value of the heat of combustion of the obtained carbon samples with increasing temperature of the heating medium was 28.5-33.5 MJ/kg (6804.3-8006.4 kcal/kg). At the same time, the difference in the values of the heat of combustion of carbon between the temperature regimes of the pyrolysis process of 450 °C and 550 °C was about 1 MJ/kg (Qir at 450 °C = 32.5 MJ/kg). Thus, we can conclude that the optimal temperature for producing biofuel for energy use is 450 °C;
7) с ростом температуры греющей среды, возрастает уровень карбонизации, получаемого углеродного остатка (от 73,4 мас.% до 87,2 мас.%) ввиду удаления кислородосодержащих функциональных групп и групп СxHy. Среднее значение содержания углерода промежуточного режима проведения процесса пиролиза (при температуре греющей среды 450 °С) составило 80,5 мас.%;7) with increasing temperature of the heating medium, the level of carbonization of the resulting carbon residue increases (from 73.4 wt.% to 87.2 wt.%) due to the removal of oxygen-containing functional groups and CxHy groups. The average value of carbon content in the intermediate mode of the pyrolysis process (at a heating medium temperature of 450 °C) was 80.5 wt.%;
8) с ростом температуры греющей среды зафиксировано изменение морфологического строения частиц, получаемого углеродного остатка, проявляющегося в развитии более аморфной поверхностной структуры с большим количеством открытых пор и каналов.8) with increasing temperature of the heating medium, a change in the morphological structure of particles and the resulting carbon residue was recorded, manifested in the development of a more amorphous surface structure with a large number of open pores and channels.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2806959C1 true RU2806959C1 (en) | 2023-11-08 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2114902C1 (en) * | 1997-05-08 | 1998-07-10 | Лурий Валерий Григорьевич | Carbon-containing briquet and method of preparation thereof |
| WO2017048201A2 (en) * | 2015-09-16 | 2017-03-23 | Ghorbel Makram | Charcoal derived from agricultural residues |
| RU2628602C1 (en) * | 2016-07-27 | 2017-08-21 | Общество с ограниченной ответственностью "ПРОМЕТЕЙ" (ООО "ПРОМЕТЕЙ") | Wood coal production device |
| KR101995756B1 (en) * | 2018-09-19 | 2019-10-17 | 배영재 | Wood Briquet Using Wooden Wastes and Manufacturing Method Thereof |
| RU2733947C1 (en) * | 2019-08-02 | 2020-10-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Региональный инженерный центр" | Method of producing fuel briquette |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2114902C1 (en) * | 1997-05-08 | 1998-07-10 | Лурий Валерий Григорьевич | Carbon-containing briquet and method of preparation thereof |
| WO2017048201A2 (en) * | 2015-09-16 | 2017-03-23 | Ghorbel Makram | Charcoal derived from agricultural residues |
| RU2628602C1 (en) * | 2016-07-27 | 2017-08-21 | Общество с ограниченной ответственностью "ПРОМЕТЕЙ" (ООО "ПРОМЕТЕЙ") | Wood coal production device |
| KR101995756B1 (en) * | 2018-09-19 | 2019-10-17 | 배영재 | Wood Briquet Using Wooden Wastes and Manufacturing Method Thereof |
| RU2733947C1 (en) * | 2019-08-02 | 2020-10-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Региональный инженерный центр" | Method of producing fuel briquette |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dacres et al. | Pyrolysis kinetics of biomasses pretreated by gas-pressurized torrefaction | |
| CS203141B2 (en) | Treatment method for lignitic coal | |
| EP2829589A1 (en) | Method for producing charcoal | |
| CN106190416B (en) | A kind of biomass carbon fuel | |
| US8968520B2 (en) | Coal processing to upgrade low rank coal having low oil content | |
| Schröder | Experiments on the pyrolysis of large beechwood particles in fixed beds | |
| CA1163595A (en) | Organic products and liquid fuels from lignocellulosic materials by vacuum pyrolysis | |
| RU2806959C1 (en) | Method for wood briquette pyrolysis | |
| Niu et al. | Effect of torrefaction on the evolution of carbon and nitrogen during chemical looping gasification of rapeseed cake | |
| Kumar et al. | Influence of carbonization conditions and wood species on carbon dioxide reactivity of resultant wood char powder | |
| Jagiełło et al. | Properties of activated carbon obtained from brewers spent grains | |
| Pechyen et al. | Investigation of pyrolyzed chars from physic nut waste for the preparation of activated carbon | |
| Krylova et al. | Production of Biocoal by the Pyrolysis of Biomass | |
| RU2169166C1 (en) | Method of preparing semicoke | |
| WO2005075609A1 (en) | Process for making solid fuel | |
| AU2005312364B2 (en) | Method for producing lump semicoke | |
| RU2490207C2 (en) | Method of obtaining activated coal | |
| Chen et al. | The influence of pressure and temperature on coal pyrolysis/gasification | |
| RU2359007C1 (en) | Method of receiving of hydrocarbon fuel, technological hydrogen and carbon-base materials from biomass | |
| Fedorova et al. | Pore Structure Characteristics and Reactivity of Coal Semicokes | |
| Ahmad et al. | Carbonization of coconut shell biomass in a downdraft reactor: effect of temperature on the charcoal properties | |
| JP7091530B1 (en) | Carbon material and its manufacturing method | |
| RU2767863C9 (en) | Method of producing carbon-containing briquettes from non-caking coal | |
| Vasilevich et al. | Features of Pyrolysis of Plant Biomass at Excessive Pressure | |
| RU2733947C1 (en) | Method of producing fuel briquette |