CC BY
108
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПИРОЛИЗА НА ВЫХОД ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ
Горбунов Д.Е., Цыбаев Д.В. (СГАУ, г. Саратов, РФ)
This article is about the influence of pyrolysis conditions on the yield of liquid products. Shows the products obtained from the temperature, pressure and heating rate. The table shows the effect of duration of heating on the yield ofproducts.
Протекание процесса пиролиза и выход продуктов зависят от многих факторов, которые можно объединить в две группы: связанные с характеристикой сырья (сырьевые факторы) и характеризующие режим пиролиза (режимные факторы).
К числу сырьевых факторов, оказывающих влияние на ход процесса пиролиза и выход продуктов, относятся: химический состав древесины, зависящий от породы; наличие коры и гнили; размер кусков древесины и ее влажность.
Следует отметить, что данные о генезисе и выходах основных жидких продуктов, полученные при изучении термораспада основных компонентов древесины (гемицеллюлоза, целлюлоза, лигнин), находят при этом полное подтверждение. Так, чем больше ацетильных и метоксильных групп древесины связано с гемицеллюлозами, тем больше получается при пиролизе уксусной кислоты и метанола соответственно (пропорциональная зависимость). Увеличение содержания лигнина в древесине приводит к увеличению выхода отстойной смолы. В отстойной смоле из древесины хвойных пород преобладают фенолы и производные пирокатехина. В смоле из лиственной древесины содержатся как производные пирокатехина, так и пирогаллола.
В соответствии с изменениями в составе при пиролизе древесины, пораженной бурой гнилью, выход метанола и уксусной кислоты уменьшается в 2 раза, а выход отстойной смолы увеличивается. При поражении древесины белой гнилью выход уксусной кислоты снижается в 1,5 раза.
По мере увеличения размера кусков пиролизируемой древесины снижается выход почти всех жидких продуктов, в особенности растворимой смолы, уксусной кислоты и метанола. При изменении размера мелких частиц древесины с 0,05 до 0,50 мм выход жидких продуктов изменяется незначительно.
Увеличение влажности древесины в пределах 0...26% приводит к уменьшению (на 9,4%) выхода смолы, в основном, за счет увеличения выхода угля. Выход метанола при этом снижается примерно на 28%, муравьиной и пропионовой кислот - почти в 2 раза. Выход фурфурола и фурилового спирта снижается незначительно.
Способ нагрева. В зависимости от способа подвода тепла в реакционную зону процессы пиролиза подразделяются на процессы с внешним нагревом и с внутренним нагревом. В аппаратах с внешним нагревом термическое разложение начинается около стенок аппарата и вследствие слабой циркуляции парогазов и малой теплопроводности древесины идет неравномерно. Для
обеспечения полного пиролиза древесины, расположенной в центре аппарата, приходится перегревать древесину, находящуюся около стенок. Выходящие из центра аппарата парогазы, соприкасаясь с раскаленным углем и перегретыми стенками, частично разлагаются. В аппаратах с внутренним нагревом тепло от газообразного теплоносителя передается непосредственно древесине, древесина разлагается равномерно во всем объеме, одновременно обеспечиваются хорошие условия для выноса продуктов пиролиза из аппарата. Поэтому при пиролизе древесины с внутренним нагревом выход смол, особенно высококипящих и термолабильных, выше.
Температура. Продукты пиролиза древесины образуются в широком интервале температур, но выделение жидких продуктов заканчивается, в основном, при температуре 400°С. Дальнейшее повышение конечной температуры пиролиза приводит лишь к небольшому увеличению выхода высококипящих смол.
Скорость нагрева. Данные таблицы показывают, что увеличение продолжительности нагрева крупнокусковой древесины до температуры 500°С с 3 часов до 14 суток мало влияет на выход метанола и уксусной кислоты, но существенно сказывается на выходе угля и смол: выход смолы уменьшается в 10 раз, а выход древесного угля вследствие крекинга смолистых веществ увеличивается примерно в 1,5 раза.
Таблица - Влияние продолжительности нагрева на выход продуктов
Продолжительность нагрева до температуры 500°С, ч Выход, % от а. с. д. березы
угля летучих кислот метанола смолы
3 25,5 7,8 1,5 18,0
8 30,8 7,9 1,5 17,0
16 33,2 7,1 1,5 10,1
336 39,1 6,8 1,4 1,8
При скоростном нагреве выход жидких продуктов пиролиза резко изменяется и зависит от конечной температуры. Так, при повышении скорости нагрева до 320°С/мин, выход надсмольной воды, смолы, и в особенности фенолов проходит через максимум при температуре 500°С. Как снижение температуры, так и ее повышение на 100°С от оптимальной (500°С) приводит более чем к 2-кратному снижению выхода фенолов.
Продолжительность пребывания парогазов в реакционной зоне. При увеличении времени пребывания за счет вторичных реакций крекинга и разрушения образовавшихся жидких продуктов пиролиза выход их снижается. Особенно сильно влияет время пребывания на выход термолабильных компонентов растворимой смолы. В составе жидких продуктов при этом накапливаются наиболее термодинамически устойчивые компоненты, отличающиеся меньшей молекулярной массой и меньшей термореактивной
способностью. Изменение давления в реакционной зоне при пиролизе равноценно изменению времени пребывания: повышение давления приводит к пропорциональному увеличению времени пребывания и наоборот. Так, выход угля при давлении 0,27 кПа при 450 °С составляет всего 15%, зато выход смолы достигает 62%. Выход реакционной воды при этом значительно ниже обычного.
Литература
1. Комплексная химическая переработка древесины / И. Н. Ковернинский, В. И. Комаров, С. И. Третьяков и др.- Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2002. -347 с.
2. Головков С. И. Энергетическое использование древесных отходов / С. И. Головков, И. Ф. Коперин, В. И. Найденов. -М.: Лесн. пром-сть, 1987. - 224 с.
