Ученые Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН (Иркутск) разработали новые методы кинетического анализа разложения древесины. Экспериментальное исследование разных стадий окисления биомассы дает перспективы для создания экологически чистого биотоплива и поможет в предотвращении лесных пожаров. Результаты опубликованы в специализированном журнале Thermochimica Acta.
Среди основных приоритетных источников энергии четвертое место после всем известной триады из угля, нефти и природного газа занимают энергоносители растительного происхождения. К последним, как правило, относят биомассу, накапливающуюся главным образом в лесной промышленности и сельском хозяйстве: древесину, зерновые культуры, навоз, водные растения и так далее. С каждым годом увеличивается и без того огромное количество производственных и бытовых отходов, загрязняющих окружающую среду и требующих всё больших площадей для складирования или захоронения. Сегодня стало ясно, что использование биомассы не только необходимо в природоохранных целях, но и может быть технически выгодно для широкого круга энергетических систем.
Однако массовое внедрение биоотходов в энергетику требует разработки и модификации технологий их термохимической переработки. Создавать надежные методы возможно только при глубоком изучении всех технологических стадий, начиная от подбора подходящего сырья до управления процессами в реакторе и нейтрализации выбросов. Кроме того, неотъемлемой частью новых технологий сегодня являются численные модели, позволяющие определить оптимальные характеристики для новой разработки.
Внешний вид и схема лабораторной установки пиролиза: 1 — образец, 2 — трубка инертного газа, 3 — расходомер, 4 — термопара
Термическое разложение древесины часто рассматривают как одноэтапный процесс с образованием древесного угля как единственного твердого компонента. Однако это очень упрощенный взгляд, ведь прежде чем превратиться в уголь, биоматериал проходит через множество промежуточных стадий. В обычных условиях обработки древесины (например, при горении и газификации) исследовать промежуточные составы достаточно сложно, так как высокая скорость реакции при высоких температурах не позволяет получать образцы со стабильными свойствами. Но при снижении температуры и скорости нагрева можно выявить промежуточные состояния органического вещества и изучить их свойства.
Связанные с этим экспериментальные исследования проводят иркутские ученые из ИСЭМ СО РАН. «Мы использовали метод пиролиза древесины, чтобы изучить фундаментальные характеристики — механизмы разложения и окисления древесной массы при невысоких температурах, — объяснил старший научный сотрудник ИСЭМ СО РАН кандидат технических наук Игорь Геннадьевич Донской. — При низкотемпературном пиролизе древесина выдерживается в температуре до 300 °C без доступа воздуха в течение длительного времени. Этот процесс называется торрефикацией. В результате древесная биомасса становится менее гигроскопичной, то есть впитывает меньше влаги. Также при этом извлекаются летучие вещества, газы, уменьшается реакционная способность древесины, поэтому она может дольше храниться без опасности пожаров».
При торрефикации, или мягком пиролизе, термически обработанные образцы древесины получают путем нагрева сырых сосновых опилок и щепок до заданной температуры (250, 300, 350, 400, 500 °C), пока не прекратится потеря массы. После этого древесина вынимается, остужается (например, впрыском холодной воды) и анализируется. Все полученные образцы исследуют методами термического анализа в сочетании с масс-спектрометрией в инертных и окислительных средах. Измеряя зависимости между скоростью реакции и концентрацией реагирующих веществ, ученые отслеживают изменение ведущих механизмов разложения по изменению состава промежуточных продуктов трансформации.
В этом термохимическом процессе уменьшается масса получаемого сырья, но его энергоемкость увеличивается, а вместе с ней повышается и удельная теплота сгорания по сравнению с исходным материалом. Кроме того, после разложения биомассы в бескислородной атмосфере образуются лишь зола, жидкие и газообразные продукты, которые не оказывают большого влияния на окружающую среду. Таким образом, технология пиролиза позволяет рассматривать неликвидную древесину и другие отходы сельского хозяйства и лесной промышленности в качестве возобновляемого источника энергии, позволяющего получать топливо с нужными свойствами.
«Применение биотоплив на основе лесных материалов могло бы внести вклад в снижение остроты проблемы лесных пожаров, — отметил Игорь Донской. — Ведь они происходят в том числе из-за того, что в лесах много упавшей древесины, которая гниет, сохнет, разогревается и может если не инициировать, то в значительной степени поддерживать огонь. В нашем институте делались оценки по объему лесной биомассы, которая могла бы быть использована без вреда для леса, чтобы он стал чище, не захламлялся этим “горючим мусором”. Неизвестно будет ли такой способ экономически оправдан повсеместно, но в локальном порядке это вполне реалистично».
Глеб Сегеда
Иллюстрации предоставлены исследователем (1) и из открытых источников (анонс)
