Пиролизная печь из кирпича своими руками, как и металлическая, требует точных расчетов, схемы и чертежа. Используют специального вида кирпич – огнеупорного, который с эстетической точки зрения не хуже обычного. 

Еще необходим шамотный кирпич, для изготовления всех внутренних ее перегородок. Часто такие отопительные установки располагают в саунах и жилых домах. Кирпичные пиролизные печи в первого взгляда могут выглядеть как камин и создавать достаточно приятную и уютную атмосферу в доме или бане.

Правила эксплуатации и обслуживания

Печи длительного горения удобны в использовании, поскольку топливо выгорает почти полностью. Сажа остается в маленьких количествах, соответственно, котел не требует постоянной чистки. Регулярный ремонт пиролизного котла представляет собой просто своевременное устранение различных неисправностей.

При изменении формы дверцы топки следует исправить ее или просто заменить. Если конструкция расходится по шву сварки, то необходимо прекратить эксплуатацию агрегата и срочно устранить неполадки. Использование неисправного пиролизного котла может быть опасно для его владельцев.

Техника безопасности

Чтобы пиролизная печь была безопасна в использовании, необходимо следовать схеме и расчетам, а также, подбирать качественный материал и исправную технику.

Придерживайтесь таких советов в эксплуатации:

• Сухое твердое топливо. Влажность топлива не более 10-15%, иначе это грозит скорым приходом агрегата в неисправное состояние.
• Дымоходная труба котла съемная. Это позволяет обеспечить легкое удаление сажи и конденсата.
• Возле печи ни в коем случае не должно быть горючих предметов или конструкций.

Пиролизный котёл своими руками

Сэкономить на отоплении можно с помощью установки пиролизного котла. В данной статье мы расскажем как сделать пиролизный котел своими руками.

Технически наиболее совершенными считаются котлы, в которых происходит полное сжигание топлива с максимально возможным поглощением выделяемой теплоты. Поскольку схемы такого рода доступны широкому кругу людей — попробуем разобраться с самостоятельным изготовлением пиролизного котла для больших порций горючего.

За счёт чего возможна длительная работа

На открытом воздухе даже отчасти сырые дрова сгорают очень быстро — буквально за 1–1,5 часа. Причиной всему свободный доступ кислорода — в закрытой топке котла он отсутствует, с помощью заслонки поддува дозируется порция поступающего кислорода, и горение происходит менее интенсивно.

Одной из главных проблем такого способа сжигания органического горючего оказалась его способность «гореть» даже без доступа кислорода. При высоких температурах происходит пиролиз — термическое разложение твёрдого топлива на летучие газообразные соединения. Кислород для этого процесса не нужен, достаточно разогреть закладку до 400–500 °С. При этом происходят колоссальные потери теплотворности — наиболее энергетически ценная составляющая угля или дров попросту выносится остаточной тягой в дымоход, не успевая прогорать полностью.

Пиролизный котёл на дровах: 1 — поддувало; 2 — камера загрузки топлива и газификации; 3 — теплобменник; 4 — камера сгорания; 5 — камера дожигания; 6 — дымоход

В конструкции каждого современного котла на твёрдом топливе должна быть предусмотрена дополнительная подача воздуха для догорания выделившихся газов. При этом интенсивность и скорость сгорания закладки регулируется не объёмом поступающего кислорода, а температурой нагрева топлива. Действительно, если разогреть всю закладку сразу, то горючие газы выделятся очень быстро и о продолжительной работе котла придётся забыть. Однако если нагревать твёрдое топливо отдельными порциями, возможно постепенное его разложение в генераторной камере и эффективное полное сгорание во втором отделении топки. При этом поток газов инвертируется, они движутся сверху вниз под действием тяги, созданной эжекцией.

Конструкция пиролизного котла длительного горения: 1 — пиролиз твёрдого топлива; 2 — камера сгорания; 3 — нижняя дверца; 4 — подача вторичного воздуха; 5 — подача первичного воздуха; 6 — верхняя загрузочная дверца; 7 — камера газификации; 8 — дымосос

Материал изготовления

Пиролизные котлы характеризуются повышенной температурой рабочей зоны. В камере газификации горения не происходит, однако обратный поток тепла способен разогревать стенки до 500–600 °С. Наибольшему температурному воздействию подвергается низ газогенераторного отсека — именно эта часть контактирует с воспламеняющимися газами и испытывает серьёзную термическую нагрузку. Рекомендуется низ камеры закладки выполнять в виде чугунного колосника или специального огнеупорного изделия с тонкой прорезью либо рядом небольших отверстий.

Основная трудность в самостоятельном изготовлении котловой техники заключается в выборе подходящей марки стали, которая поддаётся обработке в домашних условиях без специального оборудования. Наиболее пригодными в этом плане считаются стали аустенитного и аустенито-ферритного класса с умеренным содержанием хрома и никеля. Примерами марок таких сталей можно назвать 12Х18Н9Т, 08Х22Н6Т или AISI 304.

Технология сварки таких металлов признаётся умеренно сложной, но воспроизводимой в кустарных условиях с применением дуговой сварки покрытыми электродами без защитной среды. Основным фактором, ухудшающим качество сварной конструкции, считается образование горячих и холодных трещин, обусловленное высокой разницей температур на относительно малом линейном участке металлического изделия.

Для устранения негативных факторов термического воздействия используют следующие технологические приёмы:

1. Нарезка деталей с плавной подачей режущего инструмента, чем исключается перегрев кромок.
2. Ограничение плотности сварочного тока на 20–25% по сравнению с конструкционной сталью, сварка в мягких режимах.
3. Ограничение температуры сварочной ванны, выполнение многопроходного шва с высокой скоростью без боковых колебаний.
4. Правильная разделка соединяемых кромок согласно ГОСТ 5264 и их зачистка металлической щёткой.
5. Подкладка под изнанку шва металлического теплоотвода, поковка шва в процессе остывания.

И, конечно же, следует сделать правильный выбор содержания легирующих добавок в стержне электрода, чтобы обеспечить содержание феррита в структуре шва порядка 5–8%. К использованию рекомендованы электроды марок ЦТ-15 и ЦТ-16, а также специальные электроды 6816 MoLC или ROST 1913.

После сваривания конструкций рекомендуется их первичный отжиг при температуре не менее 700 °С в течение 2,5–3 часов. Достаточно загрузить внутренность сваренного корпуса каменным углём и разжечь горючее, обеспечив слабый принудительный поддув. Перед проведением отжига желательно протравить сварочные швы специальной пастой, соответствующей используемой марке стали.

Определение размеров и мощности

Прежде чем приступить к изготовлению пиролизного котла, следует провести расчёт размеров камер топки и дополнительных отсеков. В качестве исходных данных принимается требуемая теплотворная мощность, определяемая с учётом КПД самодельного котла порядка 75–80%. В домашних условиях можно изготовить твердотопливные котлы мощностью до 20–25 кВт, более производительные агрегаты требуют использования жаропрочных сталей значительной толщины, которые плохо поддаются свариванию в домашних условиях.

Мощность котла и продолжительность его работы определяются объёмом камеры газификации. Без учёта КПД теплотворность большинства распространённых пород древесины составляет около 4–5 тыс. ккал/кг, что примерно соответствует 4–4,5 кВт·ч тепловой мощности. Эти значения применимы только для древесины с влажностью не более 25%. Суть расчёта проста — определить требуемую мгновенную мощность и умножить её на количество часов работы. Стоит помнить, что пиролизные котлы даже совершенных конструкций имеют предельную продолжительность работы не более суток, а самостоятельно произведённые агрегаты следует рассчитывать максимум на 12–15 часов непрерывного горения.

Объём камеры закладки определяется из расчёта 2 литра на каждый килограмм дров. К полученному значению нужно добавить около 30%, ведь в пиролизном котле используют неколотые чурки, которые невозможно уложить вплотную. Размер камеры сгорания газов должен составлять не менее 30–40% от объёма камеры газификации. Наиболее выгодной считается структура котла, в которой две камеры расположены одна над другой, имеют одинаковую форму, но отличаются по высоте.

Сборка двухкамерной топки

Материалом для изготовления стенки камер лучше выбрать горячекатаный лист толщиной не менее 8 мм, в идеале — 10–12 мм. Чем толще металл, тем сложнее процесс сваривания, однако конструкцию из слишком тонкой стали гарантированно поведёт и выкрутит в непредсказуемых направлениях. Именно поэтому среди деталей, из которых собирается котёл, не должно быть мелких элементов с соотношением сторон более 2:1.

Основа двухкамерной топки — наружные боковые стенки. Они общие для обеих камер, соединяются посредством передней стенки, в которой проделаны два прямоугольных отверстия для дверец. Нижнее отверстие предназначено для обслуживания камеры сгорания, его высота должна быть порядка 120–150 мм, ширина — не менее 300 мм, располагается отверстие с отступом в 150 мм от нижнего края. Верхнее отверстие предназначено для загрузки камеры газификации, чем оно будет больше — тем лучше, располагаться отверстие должно не ближе 100 мм к верху камеры. Снизу и сзади топка замыкается цельными листами, которые вырезают по внешним габаритам топочной камеры, но не приваривают до окончания сборки внутренних деталей. Сверху котёл накрывается листом номинального сечения.

Пример размеров пиролизного котла

Разделять камеры газификации и сгорания будет цельная плита, ширина которой соответствует внутреннему расстоянию между стенками, а длина — на 400 мм меньше. В задней части плиты вертикально приваривается цельная перегородка, которая отделяет камеру загрузки по всей высоте, по центру вдоль горизонтальной части вырезается отверстие шириной 50 и длиной в 400–600 мм. Собранную Г-образную перегородку не приваривают до завершения сборки теплообменника.

Теплообменник для пиролизного котла

Наилучшей конфигурацией теплообменника самодельного пиролизного котла будет водяная рубашка нижней камеры и дымоходного канала. Это не самый эффективный тип, однако производство собственного сотового теплообменника вызовет неизбежные трудности либо с поиском труб соответствующей марки стали, либо со свариванием разнородных деталей.

Сборку деталей теплообменника проводят на том этапе, когда у котла сварены дно, передняя панель и две боковые стенки. Доступ для сварочных работ обеспечивается с задней стороны котла. Первым делом устанавливается верхняя перегородка рубашки. Это прямоугольная плита по внутренней ширине топки и на 200 мм меньше глубины камеры сгорания. По бокам плиты нужно удалить два прямоугольных фрагмента шириной по 100 мм таким образом, чтобы в передней части плиты осталось два выступа длиной по 200 мм. Полученная деталь приваривается к стенкам и передней панели заподлицо с нижним краем проёма дверцы камеры сгорания. При этом вырезы в перегородке образуют каналы для циркуляции между нижней зоной и боковыми стенками теплообменника.

Внутренние стенки рубашки выполняются по краю проточных каналов, имеют высоту камеры сгорания и примыкают вплотную к передней панели. Сверху их накрывают двумя полосами шириной по 100 мм.

По длине теплообменник не достаёт до задней стенки котла порядка 200 мм и примерно на такое же расстояние боковые каналы выступают за Г-образную перегородку между камерами. Когда она будет установлена, останется только сформировать двойные стенки дымоходного канала, вырезать его выходное отверстие, закрепить заднюю стенку котла и врезать резьбовые штуцеры для подключения к отопительному трубопроводу. Врезка обратки выполняется в одном из передних нижних углов рубашки, подачу врезают в любой наивысшей точке рубашки дымохода.

Обратите внимание, что камера сгорания ограничена со всех сторон водяной рубашкой, кроме перегородки с камерой газификации. Это необходимо для передачи тепла, обеспечивающего термическое разложение топлива. При этом прогреваться будет не вся закладка сразу, а только её слои, примыкающие к разогретым стенкам.

Дополнительное оборудование

К сожалению, пиролизные котлы не являются энергонезависимыми. Из-за реверсного потока газов требуется принудительный наддув. Для моделей мощностью до 15 кВт он реализуется дутьевым вентилятором, который монтируется на нижней дверце. При этом пополнение загрузки в процессе горения невозможно.

Более мощные котлы комплектуются вентилятором-дымососом, который устанавливается на верхней стенке корпуса на выходе дымоходного канала. При этом исключается появление обратной тяги и дверцу камеры газификации можно без последствий открывать даже в процессе горения.

Особое внимание нужно уделить температуре теплоносителя внутри рубашки. После выхода котла на режим она не должна быть меньше 60 °С для исключения образования конденсата. Эта задача решается путём установки узла автоматической рециркуляции, подмешивающей воду из подачи в обратку. Также требуется установка группы безопасности для закрытых отопительных систем и основного циркуляционного насоса. опубликовано econet.ru 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Пиролизное масло — Экология с открытым исходным кодом

Main > Energy > Biofuel

Пиролизное масло или «бионефть» 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 калорийностью, чем дизельное топливо.
• В настоящее время не может заменить дизельное топливо в стандартных дизельных двигателях внутреннего сгорания из-за высокой вязкости и кислотности.
• Превращение биомасла в дизельное топливо с помощью процесса Фишера-Тропша возможно, но нецелесообразно в малых масштабах
• Также существуют химические пути
• Недавно был обнаружен дешевый способ с открытым исходным кодом для улучшения биомасла с помощью красной грязи в качестве катализатора.

• 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 мытье рук после воздействия

Примеры 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
• Нагреватель теплоносителя
• 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 разделение

• Разделительная воронка или подобное 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

Дальнейшая 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 / пруды в сухой / теплой среде? (требуется дополнительное исследование)

Постфильтрация + сушка Рафинирование / 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. Контакт: 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
• Нагрев 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 обратно 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 потребоваться 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 будут выдерживать циклы теплового расширения / сжатия; тонкая нержавеющая сталь может быть вариантом) вверху есть отверстие для выхода, 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. Газохранилище. 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 кулинарного газа для вытеснения пропана.

Сначала я говорю «пропустите 3» и 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 нефти, вероятно, будет в пленке на дне газосборника, но я не знаю, как влажность повлияет на нее (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 закалка.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

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 перегонки газ приводит в действие двигатель внутреннего сгорания, который запускает электрический генератор.

Пиролиз: устойчивый способ получения энергии из отходов

1. Введение

Лигноцеллюлозная биомасса считается многообещающим экологически чистым заменителем топлива на основе углерода и химикатов. Существующие мировые 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 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 предприняты для преобразования в краткосрочной перспективе; что требуется, так это практическое применение 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, приборы для сжигания, котлы, двигатели и т. Д. В некоторых случаях твердую биомассу и отходы сложно переработать для исследований 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], жмыхы [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 преобразовать биомассу в биотопливо для непрерывного использования в транспортных средствах, поездах, кораблях и самолетах для замены дизельного топлива и бензина [15, 16]. Дальнейшее усовершенствование технологии пиролиза позволяет производить твердое топливо, такое как уголь или углеродсодержащие материалы, синтез-газ и т. Д. Обычно установка системы пиролиза включает 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 рис. 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 было уделено 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 направлены 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 примерно при 350–550 ° C, и это может 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 во время процесса 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 в процессе 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 результате процесса 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 низкой 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 выделяются почти в 10 раз быстрее, чем на последующем этапе [20].

Рис. 3.

Поведение при разложении компонентов биомассы при различных температурах [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 использованием 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.

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. Такое 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].

Химический компонент выбранной биомассы.

3.2. Физиохимические свойства биомассы

Исходя из параметров процесса и конструкции реактора, наличие влаги может существенно повлиять на выход продуктов [11].Процесс производства древесного угля состоит из двух 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].

Таблица 3.

Исходные материалы из биомассы.

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 теплотой нагрева биомассы

Для оптимизации выхода продукта контроль температурного профиля является наиболее важным фактором, 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 высвобождение 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 происходят вторичные реакции за счет разложения конденсируемого пара, что в конечном 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 полукокса, увеличивая образование вторичного полукокса.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 чердака

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 удаляется, а жидкая часть собирается. Образовавшаяся смола затем отделяется и дополнительно обрабатывается для получения технологического тепла, а также сырья для дальнейшего пиролиза.Как правило, ожидается, что процесс приведет к получению не менее 40% жидкости, но было обнаружено, что при температуре и времени карбонизации выделяется больше газа, что делает процесс неэкономичным [47]. Весь процесс можно кратко разделить на три основных этапа: образование турбулентного газового потока путем смешивания газа-носителя, твердой биомассы и горячего полукокса с использованием специальной 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 процесс Джорджии с унесенным 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 захватывающим 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 быстрого нагрева мелко измельченной биомассы 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 традиционным 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 древесных отходов для производства жидких органических веществ, достигающих 70% от исходного материала [50]. Это процесс, в котором реактор пиролиза работает по очень уникальному принципу, в 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. Процесс Dynamotive

Эта технология, внедренная в 1991 г., направлена ​​на производство продуктов с добавленной стоимостью из бионефти, особенно для производства биолима. Рабочая теплота 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 затрагивается), 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 нагревания 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 проводится 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 использовать сырье биомасла второго поколения, такое как лесные остатки, городские и промышленные отходы.

4. Обеспечивает удобство хранения и транспортировки жидкого топлива.

5. Обеспечивает вторичное преобразование моторных топлив, присадок или специальных химикатов.

5.2. Мгновенный пиролиз

Мгновенный пиролиз биомассы может давать твердые, жидкие и газообразные продукты. Производство бионефти может достигать 75% с помощью 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].

В таблице 6 ниже приведен теоретический равновесный выход целлюлозы при различных температурах с использованием медленного пиролиза [11].

Таблица 5.

Различные виды процессов пиролиза.

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 KiOR Inc. в Техасе, США, [53], заявила о прогрессе в случае расширения масштабов этого вида 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 бионефти [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 до начала процесса 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 оно продемонстрировало благоприятные результаты с точки зрения ограниченного производства воды.В таблице 7 представлена ​​сводная информация о катализаторах на основе цеолита, которые до сих пор использовались для облагораживания лигноцеллюлозных остатков.

Таблица 7.

Сводка по катализаторам на основе цеолита, используемых для повышения качества биомассы.

7. Каталитический гидропиролиз

Каталитический гидропиролиз — это разновидность каталитического пиролиза, при котором пиролиз осуществляется в реакторе 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 создание 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 таким реакторам относятся:

8.1. Реактор с неподвижным слоем

Это очень простая технология, которая дает приоритет производству бионефти, которые являются относительно однородными 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 выполнена с использованием либо стали, или огнеупорных кирпичей и бетона, состоящего из блока подачи (топлива), блок для удаления золы и блок утечки 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 различными 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 и 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 нагревание осуществляется через расплавленный слой на поверхности горячего реактора в отсутствие псевдоожижающего газа. Плавление биомассы осуществляется путем механического прижатия биомассы к стенке нагретого реактора, и при перемещении расплавленного образца 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 несколько сложна из-за механической природы 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, а 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]. В качестве теплоносителя обычно используется горелка, а биомасса плавится путем индукционного нагрева с использованием расплавленных солей.Он способен перерабатывать 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.Функциональная характеристика показана 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 за счет центробежной силы, в течение которого одновременно происходит сушка, нагревание 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 исходной пробы через цилиндрическую трубку, которая нагревается и лишена кислорода. В ходе этого процесса сырье подвергается пиролизу, дегазации 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 с 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.

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 биокара сильно 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 крупнозернистый биоуголь, тогда как пожнивные остатки и навоз дают более хрупкую структуру биоугля [97]. Более ранние исследования показали, что выход биоугля в реакторе пиролиза с псевдоожиженным слоем варьируется в зависимости от температуры [98].Результаты показали, что при низкой температуре около 450–500 ° C выход biochar был высоким, а скорость удаления летучих была 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 частицы 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 предварительной каталитической обработки его можно использовать для производства активированного угля, углеродных нанотрубок, газообразных 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 , деготь, 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 образуется смола и выделяются летучие вещества. Для получения смеси синтез-газа имеет место серия вторичных реакций, таких как декарбоксилирование, декарбонилирование, дегидрогенизация, деоксигенирование 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 на более поздней стадии процесса.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 из-за риформинга и крекинга более тяжелых углеводородов и смолы 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 обнаружено, 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, для коммерческого применения необходимо тщательно контролировать наличие золы и лигнина внутри субстрата из биомассы. Ранее термический КПД пиролизных масел сравнивали с дизельным топливом, но они демонстрировали неоправданную задержку воспламенения [113].С другой стороны, количество, качество и постоянство пиролизного масла можно также 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.Следовательно, 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) из 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 уменьшения вредного воздействия на окружающую среду.

2. Правильный 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 добываемого масла.

3. Кинетика пиролиза биомассы может протекать по нескольким параллельным путям.Однако применение низкой температуры приведет к более низкой энергии активации с образованием 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 нагревания биомассы требуются частицы прекурсоров меньшего размера, которые могут инициировать постоянный нагрев частиц.В связи с этим псевдоожиженные слои часто используются в качестве реакторов эффективного типа. Недостатки реактора с псевдоожиженным слоем преодолены за счет использования методов абляционного пиролиза и шнекового пиролиза. Эти типы новых подходов могут выдерживать более широкий диапазон переменных размеров частиц.

4. Процесс отделения биоугля должен быть эффективным и быстрым, чтобы снизить загрязнение биомасла.

5. Необходимо внести поправки в модернизацию систем сгорания двигателя, турбины и котла для правильного использования пиролизного биомасла с учетом влияния физико-химических свойств масла, выброса мелких частиц, эффективности сгорания и отложения шлака и углерода во время Следует учитывать процесс горения.

6. До недавнего времени устойчивые системы каталитического пиролиза промышленного масштаба не идентифицировались. Лишь некоторые катализаторы на основе переходных металлов были разработаны и исследованы для лабораторного подхода к увеличению добычи газа.

7. Хотя по экономике пиролиза было проведено много исследований, большинство из них были ограничены для мелкого или пилотного производства. Детальный расчет для промышленного пиролизного завода имеет важное значение для внедрения этой технологии в большей степени для практических фазовых приложений.

8. Использование биомасла в качестве возобновляемого жидкого топлива затруднено из-за его непривилегированных физико-химических свойств. В настоящее время коммерческие прогнозы использования жидкого топлива зависят от его успешного перехода на бензин, дизельное топливо или керосин или химические вещества, такие как олефины или ароматические соединения. Однако эти методы все еще находятся на стадии разработки.

EMBER Технология пиролиза метана | TNO

Мы развиваем знания не ради них самих, а для практического применения.

• Домашняя страница О TNO
• Миссия и стратегия
  • Код TNO
• Организация
  • Правление
  • Наблюдательный совет
  • Совет по оборонным исследованиям
• Ведущие ученые
• Международный
• Локации
• TNO и его социальная роль
  • Корпоративная социальная ответственность (CSR)
  • Инновации для развития
  • Политика тестирования на животных
    • Политика
    • Инновации без животных
    • Лучшие альтернативы
    • Сотрудничество
    • Животные в исследованиях наук о жизни
    • Факты и цифры 2018
• Ne