Experimental research of microwave pyrolysis of solid organic fuels

Autor: Tabakaev, Roman Borisovich, Dimitryuk, Igor Dmitrievich, Kalinich, Ivan, Astafiev, Aleksandr Vladimirovich, Gil, Andrey Vladimirovich, Ibraeva, Kanipa Talgatovna, Chumerin, Pavel Yurievich
Jazyk: ruština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Известия Томского политехнического университета
Bulletin of the Tomsk Polytechnic University
Popis: Актуальность исследования обусловлена необходимостью поиска технологий, позволяющих повысить экологичность использования органических топлив в процессе энергообеспечения. Цель: исследование СВЧ-пиролиза твердых органических топлив, имеющих различную степень метаморфического преобразования. Объект: твердые органические топлива, имеющие разную степень метаморфического преобразования, а именно древесные отходы (сосновые опилки), низинный торф (месторождение Суховское, Томская область), бурый уголь (месторождение Таловское, Томская область), каменный уголь (марка Д, Кузнецкий бассейн, Кузбасс). Методы. Характеристики исходного топлива определены согласно общепринятым методикам: влажность - ГОСТ Р 52917-2008, выход летучих веществ - по ГОСТ Р 55660-2013. Зольность опилок определяли согласно ГОСТ Р 56881-2016, торфа - ГОСТ 11306-2013, углей - ГОСТ Р 55661-2013. Принципиальная разница использованных стандартов в части определения зольности заключается в предписанных параметрах процедуры анализа (температура, скорость, время). Определение теплоты сгорания осуществляли при помощи калориметра АБК-1В (РЭТ, Россия) согласно ГОСТ 147-2013. Элементный состав исходного сырья и твердого углеродистого остатка после его переработки (C, H, N, S) устанавливали при помощи анализатора Vario Micro Cube (Elementar, Германия), используя в качестве поверки стандартный образец (Sulfanilamide). Исследование переработки рассматриваемых топлив методом традиционного медленного пиролиза в слое осуществлено методом синхронного термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии при помощи прибора STA 449 F3 Jupiter (Netzsch, Germany). СВЧ-пиролиз реализован на специально разработанном экспериментальном стенде (мощность магнетрона 750 Вт, несущая частота 2,45 ГГц). Состав пиролизного газа (содержание таких компонентов, как H2, CH4, CO, СО2) в режиме реального времени регистрировался при помощи газоанализатора Тест-1 (Бонэр, Россия). Результаты. Методом дифференциального-термического анализа установлено, что температура окончания термического преобразования для биомассы (опилки и торф) составляет 600-650 °С, для бурого угля - 850 °С, каменного угля - 900 °С. При сравнении результатов медленного слоевого и СВЧ видов пиролиза отмечено, что при СВЧ-пиролизе топлива образуется на 9,5-11,7 % меньше твердого углеродистого остатка, увеличивается выход летучих (жидких и газообразных продуктов). При этом генерируемый в процессе СВЧ-пиролиза пиролизный газ практически не содержит в своем составе балластного СО2, что в совокупности с низким выходом углеродистого остатка свидетельствует о более высоком КПД термической переработки топлива по сравнению с медленным слоевым пиролизом. Отмечено, что с увеличением степени метаморфизма топлива в процессе СВЧ-пиролиза снижается доля генерируемого синтез-газа (Н2+СО) по отношению к получаемому количеству метана, что связано с составом исходного перерабатываемого сырья: изменение (СО+Н2)/СН4 в пиролизном газе коррелирует с изменением (Н+О)/С в исходных топливах. The relevance of the study is caused by the need to find technologies that can improve the environmental friendliness of the use of organic fuels in the process of energy supply. The main aim is research of microwave pyrolysis of solid organic fuels with different degrees of metamorphic transformation. Objects: solid organic fuels with varying degrees of metamorphic transformation, namely, wood waste (pine sawdust), lowland peat (Sukhovskoe deposit, Tomsk region), brown coal (Talovskoe deposit, Tomsk region), hard coal (grade D, Kuznetsk basin, Kuzbass). Methods. The characteristics of the initial fuel were determined according to generally accepted methods: humidity - SS R 52917-2008, volatile matter yield - according to SS R 55660-2013. The ash content of sawdust was determined according to SS R 56881-2016, peat - SS 11306-2013, coal - SS R 55661-2013. The fundamental difference between the standards used in terms of determining the ash content lies in the prescribed parameters of the analysis procedure (temperature, speed, time). The heat of combustion was determined using an ABK-1V calorimeter (RET, Russia) in accordance with SS 147-2013. The elemental composition of the feedstock and the solid carbon residue after its processing (C, H, N, S) was determined using a Vario Micro Cube analyzer (Elementar, Germany), using a standard sample (Sulfanilamide) as a verification. Research of the processing of the concerned fuels by the method of traditional slow-bed pyrolysis was carried out by the method of synchronous thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry using an STA 449 F3 Jupiter instrument (Netzsch, Germany). Microwave pyrolysis was implemented on a specially designed experimental stand (magnetron power 750 W, carrier frequency 2,45 GHz). The pyrolysis gas composition (the content of components such as H2, CH4, CO, СО2) was recorded in real time using a Test-1 gas analyzer (Boner, Russia). Results. By the method of differential thermal analysis, it was established that the temperature of the end of thermal transformation for biomass (sawdust and peat) is 600-650 °C, for brown coal - 850 °C, for hard coal - 900 °C. Comparing the results of slow-bed and microwave pyrolysis, it was noted that during microwave pyrolysis of fuel, 9,5-11,7 % less solid carbon residue is formed, and the yield of volatile (liquid and gaseous products) increases. At the same time, the pyrolysis gas generated in the process of microwave pyrolysis almost does not contain ballast CO2 in its composition, which, together with the low yield of carbonaceous residue, indicates a higher efficiency of thermal fuel processing compared to slow-bed pyrolysis. It is noted that with an increase in the degree of fuel metamorphism in the process of microwave pyrolysis, the share of generated synthesis gas (Н2+СО) in relation to the amount of methane obtained decreases, which is associated with the composition of the initial processed raw material: change of (СО+Н2)/СН4 in the pyrolysis gas correlates with the change of (Н+О)/С in initial fuels.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: