КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-19-00367
НазваниеРазработка инновационного метода окислительной торрефикации биомассы в неподвижном слое минерального наполнителя
РуководительКоршунов Алексей Михайлович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2019 г. - 2021 г. |
Конкурс№35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе
Ключевые словаторрефикация, биомасса, биотопливо, утилизация отходов, пеллеты, брикеты, бентонит, пиролиз, гемицеллюлоза, диффузия, теплообмен, теплота сгорания, выход массы, экспериментальное исследование, численное моделирование
Код ГРНТИ44.31.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В рамках настоящего Проекта будет исследована новая технология торрефикации биомассы в неподвижном слое минерального наполнителя, применение которой во многом поможет преодолеть проблемы, возникающие при использовании общепринятых на сегодняшний день концепций торрефикации с использованием реакторов с непрямым нагревом или конвективных реакторов. Основным недостатком реакторов с непрямым нагревом является неоднородность температурного поля вблизи греющих стенок и/или системы труб, что обусловлено низкой теплопроводностью газовой фазы. К недостаткам технологии с использованием конвективных реакторов следует отнести необходимость нагрева значительного количества инертного газа и как, следствие, неизбежное разбавление газообразных продуктов пиролиза этим газом, что затрудняет их последующую утилизацию. Сущность предлагаемой в настоящем Проекте технологии торрефикации состоит в следующем: биомасса в реакторе засыпается слоем минерального наполнителя (такого как бентонитовая глина или микрокальцит), при этом реактор не герметизируется. Нагрев реактора осуществляется через внешнею стенку реактора и/или систему труб, которая проходит внутри реактора. Основная роль минерального наполнителя в рамках рассматриваемой концепции сводится к двум основным функциям. С одной стороны, бентонит способствует более однородному распределению температуры внутри реактора, что обусловлено высокой теплопроводностью минерального наполнителя по сравнению с газом. Кроме того, микрочастицы глины ограничивают диффузионный поток кислорода из окружающей среды к биомассе, поэтому процесс торрефикации можно проводить без использования инертного газа и без герметизации реактора. По своей сути рассматриваемая технология является примером окислительной торрефикации, когда ограниченное количество кислорода принимает участие в процессе пиролиза биомассы. Отметим, что газообразные продукты пиролиза в данном процессе не разбавлены большим количеством инертного газа, поэтому их легко можно утилизировать, либо путем дожигания, либо подвергнув конденсации. В состав газообразных продуктов пиролиза входят ценные химические компоненты – спирты, ароматические соединения и карбоновые кислоты. Использование этих компонентов будет способствовать существенному повышению экономических показателей торрефиекации. Впервые рассматриваемая технология торрефикации биомассы была предложена авторами Проекта в недавно опубликованной работе: Leontiev A., Kichatov B., Korshunov A., Kiverin A., Medvetskaya N., Melnikova K. Oxidative torrefaction of briquetted birch shavings in the bentonite, Energy – 2018. V.165, P.303-313. В рамках настоящего Проекта будет проведено всестороннее экспериментальное и теоретическое исследование процесса торрефикации, направленное на развитие технологии переработки биотоплива. Экспериментальные исследования предполагается проводить на основе разработанного ранее экспериментального стенда. В процессе экспериментального исследования будет проведен анализ роли исходного сырья, режимных параметров и состава минерального наполнителя на энергетические характеристики торрефицированной биомассы. В рамках Проекта будет разработана феноменологическая модель торрефикации биомассы в неподвижном слое минерального наполнителя, с учетом процессов тепло- и массобмена и химических реакций, протекающих при торрефикации биомассы. Будут сформулированы математические модели и проведено компьютерное моделирование, направленное на детализацию экспериментально наблюдаемых процессов.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения работ по Проекту будут разработаны научные основы для создания новой технологии торрефикации биомассы в неподвижном слое минерального наполнителя. Для достижения поставленной цели будет проведено систематическое экспериментально-теоретическое исследование процесса торрефикации биомассы в слое минерального наполнителя.
Основное внимание в Проекте будет уделено торрефикации брикетированных древесных стружек и пеллет. В первую очередь это обусловлено прикладной значимостью биомассы именно в форме брикетов и пеллет. Несмотря на то, что процесс торрефикации способствует увеличению калорических характеристик биомассы, он не приводит к существенному увеличению ее энергетической плотности. С другой стороны, брикетирование биотоплива позволяет существенно увеличить его энергетическую плотность и, кроме того, снизить стоимость его транспортировки.
На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований будут сформулированы оптимальные условия, необходимые для проведения процесса торрефикации различных видов биомассы. Будет проведена оптимизация таких параметров, как время торрефикации, температура торрефикации, высота минерального слоя, его тип, а также характеристики брикета или пеллет. При торрефикации в минеральном слое существенную роль в процессе деполимеризации гемицеллюлозы играют перегретые пары воды, выход которых из реактора лимитируется диффузионным сопротивлением минерального наполнителя [Fuel Processing Technology 182 (2018) 113–122 https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.10.021]. В связи с этим, в рамках работ по Проекту будет проведен подробный анализ роли паров воды на разрыв гликозидных связей при деполимеризации гемицеллюлозы, что также важно и с фундаментальной точки зрения. На основе систематического экспериментального исследования процесса будет разработана математическая модель и создан программный комплекс для расчетно-теоретического сопровождения и оптимизации процесса торрефикации.
Полученные в настоящем Проекте результаты могут способствовать развитию новой технологии торрефикации биомассы, которая, как ожидается, обладает рядом существенных достоинств по сравнению с известными в настоящее время технологиями, разрабатываемыми и используемыми в мировой практике. В рамках рассматриваемой технологии не требуется использование дорогостоящего оборудования (реактор работает при атмосферном давлении). Здесь не применяется инертный газ для предотвращения избыточного окисления биомассы в процессе торрефикации. Путем регулирования высоты минерального наполнителя и его типа (бентонит, микрокальцит, тальк) можно изменять диффузионный поток кислорода к биомассе из окружающей среды в широком диапазоне. Так как по своей сути рассматриваемый процесс представляет собой один из вариантов окислительной торрефикации, то выделяющееся тепло при частичном окислении биомассы содействует протеканию эндотермических реакций пиролиза и тем самым способствует снижению энергетических затрат на проведение процесса торрефикации. Кроме того, продукты пиролиза в данном процессе не разбавлены большим количеством инертного газа, что облегчает их утилизацию путем сжигания или конденсации. Все эти факторы делают данную технологию торрификации весьма перспективной, как с экономической, так и экологической точек зрения.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках выполнения работ по Проекту в 2019 году проведен экспериментальный анализ новой технологии торрефикации древесной биомассы, основанной на концепции проведения торрефикации в неподвижном слое минерального наполнителя. По своей сути исследуемый процесс представляет собою окислительную торрефикацию, и основной функцией минерального наполнителя является ограничение доступа кислорода к биомассе. В недавних работах авторов Проекта была продемонстрирована работоспособность предложенной технологии применительно к брикетированным и пеллетированным образцам биомассы. В рамках работ по Проекту в 2019 году проведены систематические экспериментальные исследования торрефикации древесной биомассы в форме щепы. При этом исследованы закономерности развития процесса, определяющие свойства торрефицированной биомассы, в зависимости от типа и породы древесины, высоты минерального слоя и температуры торрефикации. В качестве древесной биомассы использовалась древесная щепа, изготовленная из распространенных в средней полосе России пород древесины, таких как: сосна, ель, осина, клен, ива, береза, акация и яблоня. На основе проведенных экспериментальных исследований продемонстрировано, что выход массы при торрефикации зависит от сорта древесины, и при прочих равных условиях наибольший выход массы наблюдается для хвойных пород. Также показано, что при торрефикации древесной щепы в неподвижном минеральном слое, путем изменения высоты минерального слоя и температуры торрефикации можно регулировать свойства биотоплива в широком диапазоне. Основной причиной этому является изменение диффузионного потока кислорода из окружающей среды к биомассе. На основе элементного анализа и инфракрасной спектрометрии экспериментальных образцов построена феноменологическая модель, позволяющая на качественном уровне оценить вклад кинетических и диффузионных процессов на выход массы в результате торрефикации. Модельные представления с хорошей степенью точности описывают полученные экспериментальные закономерности. Помимо этого, проведен анализ пиролитических свойств биомассы и получены экспериментальные зависимости энергетических характеристик биотоплива от типа древесины и параметров процесса торрефикации (высоты минерального слоя и температуры торрефикации).
Публикации
1. Коршунов А., Кичатов Б., Мельникова К., Губернов В., Яковенко И., Киверин А., Голубков А. Pyrolysis characteristics of biomass torrefied in a quiescent mineral layer Energy, V. 187, 116015 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116015
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках выполнения работ по Проекту в 2020 году продолжен экспериментальный и расчетно-теоретический анализ новой технологии окислительной торрефикации древесной биомассы, основанной на концепции проведения торрефикации в неподвижном слое минерального наполнителя. Новые экспериментальные данные продемонстрировали, каким образом свойства биотоплива, полученного по разрабатываемой технологии зависят от типа и состава минерального наполнителя и от присутствия ингибиторов окислительных реакций. Полученные экспериментальные данные показали, что оптимальными из исследованных минеральных наполнителей являются бентонитовая глина и тальк, а путем подбора условий торрефикации, включая высоту минерального слоя, его состав, температуру и длительность торрефикации могут быть достигнуты высокие показатели по свойствам получаемого биотоплива. Экспериментальное изучение влияния ингибитора окислительных реакций на свойства торрефицированной биомассы позволило дополнительно продемонстрировать влияние диффузии кислорода к биомассе через слой минерального наполнителя, что было предсказано теоретически с использованием модели, предложенной в рамках Проекта в 2019 году. Дополнительное подтверждение и расширение представлений о физико-химических процессах, определяющих торрефикацию древесной биомассы в неподвижном слое минерального наполнителя, проведено на основе численного моделирования с использованием предложенной математической модели и реализованного на ее основе программного комплекса. В частности, показано, что в рамках предложенной технологии действительно имеет место установление практически равномерного температурного поля внутри реактора на временах порядка часа, в течение которых предлагается реализовывать процесс торрефикации. Так же явным образом продемонстрировано, что при проведении торрефикации древесной биомассы в неподвижном слое минерального наполнителя важную роль в процессе торрефикации играют диффузионные потоки через минеральный слой. При этом показано, что роль реакций окисления в газовой фазе незначительна. Система полученных в 2019 и 2020 годах экспериментальных данных и результатов расчетно-теоретического анализа создают научную основу для дальнейшей оптимизации разрабатываемой технологии и ее дальнейшего практического внедрения.
Публикации
1. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Киверин А.Д., Яковенко И.С. Окислительная торрефикация древесной биомассы в слое минерального наполнителя Инженерно-физический журнал (JOURNAL OF ENGINEERING PHYSICS AND THERMOPHYSICS), - (год публикации - 2021)
2. Коршунов А.М., Кичатов Б.В., Судаков В.С., Колобов А.В., Губернов В.В., Киверин А.Д. Torrefaction of Wood in a Quiescent Layer of Talc Energy & Fuels, 34, 4660−4669 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b04478
3. Коршунов А.М., Кичатов Б.В., Киверин А.Д. Effect of Wood Species on the Hydrophobic Properties of Biofuel Obtained by Torrefaction Seventeenth International Conference on Flow Dynamics. Proceedings., p. 98-99 (год публикации - 2020)
4. - Предложена простая и дешевая технология получения биотоплива из древесной щепы газета “Поиск”, 21.04.2020 (год публикации - )
5. - Предложена простая и дешевая технология получения биотоплива из древесной щепы Газета.ru, 21.04.2020 (год публикации - )
6. - ПРЕДЛОЖЕНА ПРОСТАЯ И ДЕШЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВА ИЗ ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПЫ Научно-техническое некоммерческое партнерство "Технологическая платформа БиоТех2030", - (год публикации - )
7. - Предложена простая и дешевая технология получения биотоплива из древесной щепы информационно-сервисный портал Indicator.Ru, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках выполнения работ по Проекту в 2021 году продолжен экспериментальный анализ новой технологии окислительной торрефикации древесной биомассы, основанной на концепции проведения торрефикации в неподвижном слое минерального наполнителя. Новые экспериментальные данные продемонстрировали, каким образом гидрофобность биотоплива, полученного по разрабатываемой технологии, зависит от типа древесины и параметров торрефикации. Полученные экспериментальные данные по гидрофобности поверхности биотоплива показали, что оптимальными из исследованных сортов древесины являются хвойные породы, и путем подбора условий торрефикации, включая уменьшение высоты минерального слоя и рост температуры торрефикации, может быть достигнута высокая степень гидрофобности получаемого биотоплива. Также совместный анализ энергетических характеристик, элементного состава биотоплива и краевого угла смачивания показал, что повышение гидрофобности может быть достигнуто при уменьшении выхода массы и увеличении индекса CHO. Таким образом, в результате проведенных в 2021 году работ по Проекту получена дополнительная информация, необходимая для оптимизации изучаемой технологии торрефикации с учетом гидрофобных свойств получаемого биотоплива. В совокупности с данными об энергетических характеристиках, полученными на предшествующих этапах выполнения работ по Проекту, полученные новые данные указывают на пути оптимального использования технологии торрефикации древесины различного типа в неподвижном слое минерального наполнителя. Дополнительное исследование также показало эффективность метода управления смачиваемостью биотоплива при использовании поверхностно-активных веществ. Система полученных в 2019–2020 годах экспериментальных данных создает научную основу для дальнейшей оптимизации разрабатываемой технологии и ее практического внедрения. Новые данные о гидрофобности биотоплива, получаемого в результате торрефикации древесной биомассы в неподвижном слое минерального наполнителя, а также новые результаты о возможности регулирования смачиваемости частиц биотоплива указывают на пути использования биотоплива, в том числе в составе перспективных видов гетерогенных топлив на водной основе.
Публикации
1. Коршунов А., Кичатов Б., Судаков В., Колобов А., Губернов В., Голубков А., Либет П., Кирейнов А., Юрченко О. Hygroscopic property of biofuel obtained by torrefaction of wood in a quiescent layer of bentonite Fuel, V. 282, 118766 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118766
Возможность практического использования результатов
Разработанная в рамках выполнения работ по Проекту технология окислительной торрефикации древесной биомассы в неподвижном слое минерального наполнителя может быть использована на практике для производства на основе древесной биомассы биотоплива высокого качества, как при использовании пеллет и брикетов, так и древесной щепы. Помимо этого проведенные исследования дают основу для конкретных технологических решений, позволяющих управлять в широком диапазоне значений основными параметрами получаемого биотоплива, включая энергетические характеристики и физические свойства, такие как гигроскопичность. С учетом этого, разработанная технология позволит производить биотопливо с заданными характеристиками, необходимыми для использования в той или иной энергетической установке. Также предложена концепция эффективного использования получаемого биотоплива в составе перспективных видов гетерогенных топлив на водной основе.