Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: XXXVII-XXXVIII Международной научно-практической конференции «Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований» (Россия, г. Новосибирск, 21 апреля 2021 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Энергетика и энергетические техника и технологии

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Тимофеева С.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ВЕРХОВОГО ТОРФА // Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований: сб. ст. по матер. XXXVII-XXXVIII междунар. науч.-практ. конф. № 3-4(30). – Новосибирск: СибАК, 2021. – С. 95-100.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ВЕРХОВОГО ТОРФА

Тимофеева Светлана Сергеевна

канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры «Энергетическое машиностроение» ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет»,

РФ, г. Казань

RESEARCH OF THERMOCHEMICAL CONVERSION OF HIGH MOOR PEAT

 

Svetlana Timofeeva

Candidate of Science, Senior Lecturer of the Department of Energy Engineering, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

 

АННОТАЦИЯ

Представлены результаты экспериментального исследования термохимической конверсии низкосортного топлива методом термогравиметрического анализа. Материалом для исследования выступали образцы верхового торфа. Основной стадией термохимической конверсии торфа в инертной среде является процесс выделение летучих, который связан с разложением гемицеллюлозы и целлюлозы. Остаточная масса коксового остатка при температуре 1000 °С составляет 35,71%.

ABSTRACT

The results of the experimental study of thermochemical conversion of low-grade fuel by thermogravimetric analysis are presented. The material for the study was samples of high moor peat. The main stage of thermochemical conversion of peat in an inert medium is the process of volatiles extraction, which is connected with decomposition of hemicellulose and cellulose. The residual mass of coke residue at 1000 °С is 35.71%.

 

Ключевые слова: верховой торф, термохимическая конверсия, термогравиметрический анализ, пиролиз.

Keywords: high moor peat, thermochemical conversion, thermogravimetric analysis, pyrolysis.

 

В последние годы проводятся много исследований, направленных на изучение и разработку технологий использования низкосортного топлива, к которому относят сланцы, торф, биомассу, сельскохозяйственные отходы и др. Такие технологии особенно актуальны в тех странах, в которых отсутствуют собственные источники жидких углеводородов, угля или месторождения таких запасов неравномерно распределены в пределах страны [1].

Термохимическая конверсия низкосортных энергоресурсов позволяет новые продукты с заданными свойствами. К технологиям термохимической конверсии относят сжигание, газификацию, полукоксование, пиролиз. Выбор технологии зависит от характеристик и вида продукта, который необходимо получить в результате термохимической конверсии и свойств исходного сырья. Одним из основных процессов термохимической переработки является пиролиз, который представляет собой термическое разложение материалов без доступа кислорода. С точки зрения технологии процесс пиролиза направлен на получение ценных продуктов: углистого остатка, пиролизной жидкости и горючего газа [2]. В то же время, пиролиз является начальной стадией процессов горения и газификации. В качестве сырья для пиролиза могут быть использованы любые органические материалы.

Для повышения эффективности процессов термохимической переработки целью настоящей работы было исследование термического разложения верхового торфа в инертной среде применительно к процессу пиролиза.

Материалы и методы

В качестве материалов для исследования были выбран верховой торф месторождения Владимирской области РФ. Образцы торфа были высушены в сушильном шкафу ШСЛ-43/250В при температуре 105°С. Затем образцы были размолоты в планетарной шаровой мельнице Активатор-2SL с отбором частиц не более 3 мм. Элементный анализ образцов торфа осуществлялся на CHNS анализаторе EuroEA3000 производства «Eurovector SpA» (Италия). Выход летучих определялся в муфельной печи ПМЛС-2/1200. Образцы верхового торфа имели следующие характеристики: влажность Wр=62%; зольность Ар=6,5%; выход летучих Vdaf=81%. Низшая теплота сгорания на рабочую массу составила 18,2 МДж/кг. Верховой торф характеризуется высоким показателем влажности, что затрудняет его применение для прямого сжигания в энергетических установках. Элементный состав представлен в табл. 1.

Таблица 1.

Элементный состав верхового торфа

Образец

Содержание элементов на сухую массу, %

С

Н

N

O+S

Верховой торф

46,9

5,9

0,42

40,28

 

Для исследования процесса термохимической конверсии торфа был использован метод термогравиметрического анализа (ТГ-анализ). Для проведения эксперимента использован прибор STA 449 F3 Jupiter “NETZSCH” (Германия). Исследуемые образцы нагревали в корундовых (Al2O3) тиглях с перфорированной крышкой от комнатной температуры до 1000 °C вместе с пустым тиглем в качестве образца сравнения при скорости нагревания 10 °С/мин в потоке аргона 50 мл/мин. Величина скорости нагрева выбрана применительно к процессу пиролиза.

Результаты исследования

Результаты термического анализа для образца торфа с размером частиц не более 3 мм при его нагреве со скоростью 10 °С/мин представлены на рис. 1.

 

Рисунок 1. ТГ-данные термического разложения верхового торфа

 

Термогравиметрические данные, полученные в результате экспериментов в инертной среде, характеризуют процессы термического разложения торфа. В результате ТГ-анализа кривых и пиков, соответствующих этапам разложения, отчетливо наблюдаются 3 стадии: сушка, выделение летучих компонентов и разложение коксового остатка, которые согласуются с литературными данными [3]. Основные результаты ТГ-анализа представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Результаты ТГ-анализа верхового торфа

Скорость нагрева, °С/мин

Величина потери массы, %

Испарение влаги и легких летучих (пик температуры)

Выделение летучих (пик температуры)

Разложение коксового остатка (пик температуры)

Масса остатка при 1000 0С

10

7,16 (96,5 °C)

41,24 (289,9 и 318,4 °C)

15,89 (450 °C)

35,71

 

Первая стадия характеризуются небольшой потерей массы около 7,16% и связана с испарением физически и физико-химической влаги из вещества торфа. Пик испарения влаги соответствует температуре 96,5 °С.

Вторая стадия характеризуется наибольшей потерей массы около 41,24%, которая связана с выделением летучих или так называемым пиролизом органической массы торфа. Как известно, торф состоит из трех компонентов: гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина [4].  Процесс выделения летучих связан с разложением химической структуры гемицеллюлозы и целлюлозы. На ДТГ-кривых пики, соответствующие температурам 289,9 и 318,4 °С, характеризуют максимальную потерю массы на стадии выделения летучих. Эти пики являются результатом термического разложения полисахаридов, декарбоксилирования кислотных групп, дегидратации гидроксилатных алифатических структур и образования низкомолекулярных спиртов [5, 6].

Выше температуры 450 °С в процесс термического разложения вовлекается сложная химическая структура лигнина, которая содержит кислородные функциональные группы, которые имеют различную термическую стабильность, и, соответственно, температуру разрыва химических связей [7]. В этот период происходит изменение физической структуры углеродистого остатка и формирование полукокса. Выше температуры 700 °С также наблюдается небольшая потеря массы, которая может быть связана с разложением окислов СаО, входящих в состав минеральной части торфа, а также реагированием газовых компонентов с углеродом коксового остатка. Стадия разложения коксового остатка характеризуется потерей массы около 15,89%. Остаточная масса коксового остатка при температуре 1000 °С составляет 35,71%. Следовательно, оставшаяся масса торфа в результате термохимической конверсии переходит в газовую фазу.

Выводы

В работе проведено исследование процесса термохимической конверсии верхового торфа в инертной среде. Эксперименты выполнены методом ТГ-анализа при скорости нагрева 10 °С/мин в потоке аргона. В результате исследований определены основные температурные диапазоны стадий разложения верхового торфа. Процесс разложения торфа состоит из 3 стадий: сушки, выделения летучих и разложения коксового остатка. Основной стадией является стадия выделения летучих, которая связана с разложением гемицеллюлозы и целлюлозы. Остаточная масса коксового остатка при температуре 1000 °С составляет 35,71%. Следовательно, основная часть торфа в результате термохимической конверсии торфа переходит в газовую фазу.

Полученные результаты дают представление о термическом поведении верхового торфа при нагревании и могут использоваться при кинетическом анализе и моделировании процессов термохимической переработки углеродсодержащих топлив.

 

Список литературы:

  1. Пятыгина М.В. Комплексное использование торфа на основании молекулярного состава его органической массы / М.В. Пятыгина, Г.Р. Мингалеева // Известия Вузов. Проблемы энергетики. – 2017. - №5-6. С. 3-13.
  2. Забелкин С.А. Исследование процесса термохимической переработки торфа и свойств продуктов, полученных при разных температурах пиролиза / С. А. Забелкин, А. А. Макаров, И. Г. Земсков, А. Н. Грачев, В. Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. – 2013. – T. 16. Вып. 21. – С. 133-135.
  3. Cancellieri D. Kinetic investigation on the smouldering combustion of boreal peat / D. Cancellieri, V. Leroy-Cancellieri, E. Leoni, A. Simeoni, A.Ya. Kuzin, A.I. Filkov, G. Rein // Fuel. - 2012. - V. 93. - P. 479-485.
  4. Марьяндышев П.А Термогравиметрическое и кинетическое исследование исследование торфа и гидролизного лигнина / П.А. Марьяндышев, А.А. Чернов, В.К. Любов // Междунар. журн. экспериментального образования. - 2014. - № 12. - С. 20.
  5. Romão Luciane P.C. Structure and Properties of Brazilian Peat: Analysis by Spectroscopy and Microscopy / Luciane P.C. Romão, Jamie R. Lead, Julio C. Rocha, Camargo de Oliveira L., H. Rosa A., G. R. Mendonça A., Souza Ribeiro A.  // Journal of the Brazilian Chemical Society. - 2007. - V.18. - №4. - 714-720.
  6. Girardello F. Characterization of Brazilian Peat Samples by Applying a Multimethod Approach / F. Girardello, R. Guégan, V. Esteves, R.I. Baumvol, M. Sierra, J. Crespo, A. Fernandes-Giovanela // Spectroscopy Letters. – 2013. - V. 46. - P. 201–210.
  7. Yang H. Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis / H. Yang, Y. Rong, H. Chen, D.H. Lee, C. Zheng // Fuel: 86: 12–13. - P. 1781-1788.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.