Альтернативная энергетика

Биомасса

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Пиролиз или термическое разложение биомассы происходит при достаточно высоких температурах с образованием смеси горючих газов, которые сгорают с кислородом воздуха. При низкотемпературном пиролизе образуется значительное количество углистого остатка.

При пламенном сгорании газов высокая скорость тепловыделения и тепловой поток, содержащий достаточное количество энергии для распространения фронта пламени, обеспечивают газификацию сырья (). При значениях температуры или интенсивности теплового потока ниже определенного уровня может иметь место медленное горение или неполное сгорание твердой углистой фазы, сопровождающиеся дымлением или эмиссией недоокисленных продуктов пиролиза. Подобное можно наблюдать при сжигании клетчатки или другого пористого материала.

Для биомассы, используемой в качестве топлива, это уравнение дает приближенную скорость тепловыделения при постоянной скорости сгорания. Состав и ДЯ продуктов пиролиза могут изменяться, а полнота сгорания при равновесном состоянии не зависит от dw/dt. Для того чтобы определить скорость тепловыделения и генерируемую энергию в чистом виде, необходимо учитывать содержание влаги и неорганических веществ в топливе.

Аналогичным образом вводятся поправки на содержание неорганических веществ, особенно для топлива, состоящего из городских и сельскохозяйственных отходов, в которых содержится большое количество золы. Система сжигания топлива конструируется таким образом, чтобы снизить до минимума потери тепла, обусловленные содержанием в топливе влаги и продуктами сгорания; для этого горячие газы пропускают через свежее топливо. Кроме того, для увеличения эффективности топлив процесс горения следует проводить при более высоких температурах с тем, чтобы, насколько это возможно, полнее использовать тепло горячих газов.

Эффективность сгорания топлива и системы в целом зависит также от количества и температуры поступающего воздуха, содержащего около 21% кислорода и 78% азота. При недостатке кислорода происходит неполное сгорание топлива, а наличие в системе избытка воздуха приводит к ее охлаждению.

Теоретические расчеты скорости горения dw/dt (или динамики пламени) значительно сложнее, чем приведенная оценка теплоты сгорания. Скорость горения топлива определяется тепло- и массопередачей в системе, а также составом топлива и размером его частиц. При низких температурах скорость горения определяется кинетикой пиролиза; при высоких температурах, когда реакции протекают с большими скоростями, определяющим фактором становится тепло- и массопередача. Топлива с малыми размерами частиц, имеющими соответственно большую поверхность, сгорают быстрее, чем древесное топливо больших размеров, например бревна. Теоретические основы этого явления были установлены на, модельных образцах в идеализированных условиях. Выявленные законы могут быть использованы для определения основного направления процесса, однако из-за сложности последнего количественная оценка с их помощью довольно затруднительна.

Так, например, исследования кинетики горения клетчатки хлопчатника в стекле показали, что в интервале температур 259-34ГС субстрат активируется под действием промежуточных продуктов, а также с изменением физических и химических факторов, образуя около 200 глю-козных соединений. Активированные молекулы в последующем подвергаются пиролизу, результатом которого являются летучие и углистые вещества.

В этом исследовании для решения или сведения к минимуму проблемы массопередачи путем удаления летучих веществ и предотвращения их вторичных реакций в нагретой зоне использовался вакуум. Несмотря на то что для сведения к минимуму проблем теплопередачи брались небольшие образцы, экспериментальные возможности были все же ограниченны, поскольку при температуре выше 400°С субстрат охлаждается вследствие быстрого образования продуктов пиролиза и ход реакции определялся в большей степени теплопередачей, чем кинетикой процесса.

Горение топлива начинается с пиролиза поверхностного слоя, который при соприкосновении с тепловым потоком термически разлагается на горючие летучие вещества и углистое вещество. Углистый «слой» по мере продвижения фронта пиролиза или нагретой зоны становится толще, и усиливается выделение летучих продуктов. Температурный профиль в поперечном сечении под действием теплового потока увеличивается, а под влиянием затраты теплоты на испарение продуктов пиролиза снижается. Такая система не может рассматриваться как чистая физическая модель, поскольку выделяющиеся продукты пиролиза могут реагировать с остающимся углистым слоем. Более фундаментальные л данные о термической диффузии, необходимы для оценки

Скорость горения летучих веществ в большой степени зависит от аэродинамической характеристики системы. Горение летучих веществ в быстром и турбулентном потоке может быть объяснено с помощью теории диффузионных пламен. В соответствии с этой теорией соединения топлива реагируют с активными радикалами особенно с 'ОН, рассеянными в зоне горения, образуя вторичные свободные радикалы, которые затем окисляются. Следовательно, контакт между исходными

Анализ реакций окисления в зоне горения в случае относительно простых топлив выходит за пределы настоящей статьи. Однако следует отметить, что промежуточные превращения продуктов пиролиза не ограничиваются только реакциями между свободными радикалами. Наряду с ними имеют место реакции расщепления, дегидратации и дис-пропорционирования рассмотренных выше соединений типа Сахаров. В ходе этих реакций образуются промежуточные ненасыщенные продукты, последующая полимеризация и дальнейший пиролиз которых могут вызывать образование в газообразной фазе углистых или сажи.

Остающееся после удаления летучих продуктов пиролиза углистое вещество характеризуется очень высокой пористостью и реакционной способностью, а также значительной адсорбционной способностью благодаря большой поверхности. Физико-химические свойства углистого вещества зависят от условий пиролиза. Исследования обуглероженной целлюлозы показали, что углистое вещество, образующееся при температуре 550°С (температура, легко достижимая в процессе пиролиза), имеет максимальную реакционную способность при наиболее развитой поверхности. Кроме того, для него характерна высокая концентрация свободных радикалов углерода ( 11).

Адсорбция поверхностью углистого вещества инертных газов (N2 или С02) представляет собой быстрый и обратимый процесс. Химическое взаимодействие на активных участках с кислородом представляет собой высокоэкзотермический процесс, протекающий с конечной скоростью при увеличении температуры.

На неполное окисление углистого вещества до СО расходуется лишь 1/4 энергии, выделяемой при полном окислении углерода, и 1/2 суммарной энергии по связываемому количеству кислорода. Поскольку реакции окисления углерода при достаточном количестве кислорода происходят активно и экзотермично, их скорость и, следовательно, скорость выделения тепла быстро увеличиваются. Это в свою очередь приводит к увеличению поверхностной температуры, в результате чего часть энергии излучается в окружающую среду.