Пиролиз (сухая перегонка)

Пиролиз - любые процессы, при которых органическое сырье подвергают нагреву или частичному сжиганию для получения производных топлив или химических соединений. Изначальным сырьем могут служить древесина, отходы биомассы, городской мусор и конечно уголь. Продуктами пиролиза являются газы, жидкий конденсат в виде смол и масел, твердые остатки в виде древесного угля и золы.

Традиционная технология получения древесного угля - пиролиз без сбора паров и газов.

Газификация

Газификация - это пиролиз, приспособленный для максимального получения производного газообразного топлива. Варианты схем ведения пиролиза приведены на рис. 11.5. Наиболее предпочтительными считаются вертикальные устройства, загружаемые сверху. Получаемое газообразное топливо более удобно в эксплуатации, более экологично и транспортабельно, нежели исходная биомасса. Химические продукты пиролиза пользуются спросом и как ингредиенты процессов последующей переработки, и непосредственно в качестве товарной продукции. Устройства для частичного сжигания биомассы, проектируемые в расчете на получение максимального выхода именно газов, а не других продуктов сгорания, принято называть газогенераторами. Протекающие в них процессы относятся главным образом к пиролитическим.

Коэффициент полезного действия

КПД пиролиза определяется как отношение теплоты сгорания производного топлива к теплоте сгорания используемой в процессе биомассы. Достигаемый КПД весьма высок: 80-90%.

Рис. 11.5. Способы осуществления пиролиза: небольшая установка для пиролиза (а); традиционная печь для получения древесного угля (б)

Например, газогенератор на древесине может до 80% исходной энергии перерабатывать в горючие газы (преимущественно Н₂ и СО), пригодные для обычных бензиновых двигателей. Используя этот процесс при производстве электроэнергии, можно достигать более высокой эффективности, чем при использовании паровых котлов. Подобные устройства потенциально пригодны для мелкомасштабной электроэнергетики (менее 150 кВт).

Химические процессы

Химические процессы при пиролизе биомассы во многом схожи с теми, что идут при перегонке угля для получения синтетических газов, смол, масел и кокса. Например, до перехода на природный газ (главным образом СН₄) в Европе в больших количествах использовался подававшийся потребителям по трубам светильный газ (Н₂ + СО), получающийся при реакции разложения воды в присутствии ограниченного количества воздуха:

Н2O + С→ Н2 + СО;

С + O2→ СO2; CO2 + C→ 2СО. (11.1)

Условия приролиза

Чтобы процесс пиролиза шел успешно, должны соблюдаться определенные условия. Подаваемый материал предварительно сортируют для снижения негорючих примесей, подсушивают (следует в то же время избегать подачи пересушенного материала), измельчают. Критическим параметром, влияющим на температуру и на соотношение видов получаемых продуктов, является соотношение воздух - горючее. Проще всего управлять блоком, работающим при температуре ниже 600° С. При более высоких температурах (от 600 до 1000° С) блоком управлять труднее, но количество водорода в вырабатываемом газе увеличивается. При температуре ниже 600° С можно выделить четыре стадии перегонки.

• 100-120° С - подаваемый в газогенератор материал, опускаясь вниз; освобождается от влаги.
• 275° С - отходящие газы состоят в основном из N₂, СО и С0₂; извлекаются уксусная кислота и метанол.
• 280-350° С - начинаются экзотермические реакции, в процессе которых выделяется сложная смесь летучих химических веществ (кетоны, альдегиды, фенолы, эфиры).
• Свыше 350° С - выделяются все типы летучих соединений; одновременно с образованием СО происходит увеличение образования Н₂, часть углерода сохраняется в форме древесного угля, смешанного с зольными остатками.

Конденсированные жидкости, называемые смолами и пиро-лигенными кислотами, могут быть выделены и использованы для получения различных химических продуктов (например, метанола, жидкого топлива).

Твердый остаток (максимальная массовая доля 25-35%).

Установки

Современные установки для получения древесного угля, работающие при температуре 600° С, преобразуют в требуемый продукт от 25 до 35% сухой биомассы. Традиционные печи обладают выходом по древесному углю, приблизительно равным 10%. Древесный уголь на 75-85% состоит из углерода, если не ставится специальное требование увеличения его содержания (как это требуется для специального химически чистого древесного угля), обладает теплотой сгорания около 30 МДж/кг. Следовательно, если получать древесный уголь из древесины, то от 15 до 50% первоначальной химической энергии сгорания сохранится. Древесный уголь необходим в качестве топлива с контролируемой чистотой. Химически чистый древесный уголь используется как в лабораторной практике, так и в промышленных процессах. Он превосходит обычный угольный кокс при выплавке высококачественных сталей.

Конденсирование жидкостей

Жидкости (конденсированные испарения, максимальная массовая доля примерно равна 30%). Делятся на вязкие фенольные смолы и текучие жидкости, пиролигенные кислоты, в основном уксусную кислоту, метанол (максимум 2%) и ацетон. Жидкости могут быть отсепарированы либо могут использоваться вместе в качестве необработанного топлива с теплотой сгорания около 22 МДж/кг. Максимальный выход составляет примерно 400 л горючих жидкостей на 1 т сухой биомассы.

Получение газов

Газы (максимальная массовая доля, получаемая в газогенераторах, составляет примерно 80%). Смесь выделяющихся при пиролизе газов с азотом известйа как древесный газ, синтетический газ, генераторный газ или водяной газ. Теплота сгорания на воздухе составляет 5-10 МДж/кг (от 4 до 8 МДж/м³ при нормальных условиях). Эти газы могут быть использованы непосредственно в дизелях или в карбюраторных двигателях с искровым зажиганием, при этом основная трудность - избежать попадания в цилиндры золы и конденсирующихся продуктов пиролиза. Газы в основном состоят из N₂, H₂ и СО с малыми добавками CH₄ и CO₂. Их можно накапливать в газгольдерах при давлении, близком к атмосферному. По указанным выше причинам они не пригодны для сжатия. Более чистый и однородный газ скорее может быть получен при газификации увлажненного древесного угля, нежели при пиролизе древесины непосредственно. Это связано с тем, что большая часть смол при переработке древесины на древесный уголь уже удалена.

Похожие материалы