Почтовый адрес: САФУ, Редакция «Arctic Environmental Research», наб. Северной Двины, 17, г. Архангельск, Россия, 163002
Местонахождение: Редакция «Arctic Environmental Research», наб. Северной Двины, 17, ауд. 1410а, г. Архангельск

Тел: (818-2) 21-61-21 
Сайт: http://aer.narfu.ru/
e-mail: vestnik_est@narfu.ru;
            vestnik@narfu.ru

О журнале

Определение кинетических характеристик процесса термического разложения топлив с целью анализа топочных процессов (обзор). С. 118–128.

Версия для печати

Рубрика: Химия

УДК

662.7

Сведения об авторах

Марьяндышев Павел Андреевич, инженер Комплексного центра обучения в сфере энергоэффективности института энергетики и транспорта Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 10 научных публикаций 

Чернов Александр Александрович, аспирант кафедры промышленной теплоэнергетики института энергетики и транспорта Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 7 научных публикаций 

Любов Виктор Константинович, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой промышленной теплоэнергетики института энергетики и транспорта Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 253 научных публикаций, в т. ч. 6 учебных пособий

Аннотация

В данной работе представлен обзор литературы по термическим методам анализа различных топлив: углей разных марок, различных видов биотоплива и биомассы. Рассмотрены термогравиметрические исследования, в которых описаны термогравиметрические кривые, проведен анализ процесса термического разложения разных топлив как в инертной, так и в окислительной среде. Для расчета кинетических параметров, таких как энергия активации и предэкспоненциальный множитель, в них применяются различные модели. В статье приведены данные по кинетическим параметрам процессов термического разложения топлив на основе различных моделей, сделано сравнение значений энергии активации и предэкспоненциального множителя различных биотоплив. Также в работе приведен обзор приборного ряда для проведения экспериментальной части термического анализа, рассмотрены температурные диапазоны работы и особенности различных моделей. Цель данной статьи – показать перспективность комплексного термического анализа, определить кинетические характеристики на его основе и использование определенных данных в численном моделировании процессов горения, теплообмена, гидрогазодинамики. Особенно в литературе существует недостаток работ по термогравиметрическому и кинетическому исследованию древесного биотоплива, что является перспективным научным направлением. Данные по кинетическим характеристикам используются в численном моделировании топочных процессов котельных агрегатов, а именно при расчете процесса термического разложения и горения топлив. Программные продукты, такие как «Ansys Fluent», CFX, «Fire 3D», «SigmaFlame», «STAR», CCM+, «OpenFoam», «Flow Vision» и др., в своем алгоритме используют дифференциально кинетическую модель горения топлива, где и применяются кинетические константы: энергия активации и предэкспоненциальный множитель.

Ключевые слова

биотопливо, термическое разложение, термогравиметрическое исследование, кинетическое исследование, энергия активации, предэкспоненциальный множитель, численное моделирование.
Скачать статью (pdf, 4.3MB )

Список литературы

  1. Любов В.К., Любова С.В. Повышение эффективности энергетического использования биотоплив. Архангельск, 2010. 496 с. 
  2. Бойко Е.А., Дидичин Д.Г., Угай М.Ю., Шишмарев П.В., Евтихов Ж.Л. Совершенствование схемы комплексного термического анализа твердых органических топлив // Проблемы экологии и развития городов: сб. науч. тр. Красноярск, 2001. Т. 1. С. 314–319. 
  3. Uribe M.I., Salvador A.R., Guilias A.I. Kinetic Analysis for Liquid-Phase Reactions From Programmed Temperature Data. Sequential Discrimination of Potential Kinetic Models // Thermochim. Acta. 1995. Vol. 94, № 2. P. 333–343. 
  4. Шишмарев П.В. Совершенствование и внедрение комплексного термического анализа в практику энергетического использования канско-ачинских углей: дис. … канд. техн. наук. Красноярск, 2006. 208 с. 
  5. Бодорев М.М. Совершенствование технологии производства столовых вин на основе использования дубовой щепы: дис. … канд. техн. наук. М., 2002. 258 с. 
  6. Braga M.R., Melo M.A.D., Aquino M.F., Freitas J.C.O., Melo M.A.F., Barros J.M.F., Fontes M.S.B. Characterization and Сomparative Study of Pyrolysis Kinetics of the Rice Husk and the Elephant Grass // J. Therm. Anal. Calorim. 2014. Vol. 115. P. 1915–1920. doi: 10.1007/s10973-013-3503. 
  7. Li L., Wang G., Wang S., Qin S. Thermogravimetric and Kinetic Analysis of Energy Crop Jerusalem Artichoke Using Distributed Activation Energy Model // J. Therm. Anal. Calorim. 2013. Vol. 114. P. 1183–1189. doi: 10.1007/ s10973-013-3115-2. 
  8. Zhao H., Yan H., Dong S., Zhang Y., Sun B., Zhang C., Ai Y., Chen B., Liu Q., Sui T., Qin S. Thermogravimetry Study of the Pyrolytic Characteristics and Kinetics of Macro-Algae Macrocystis Pyrifera Residue // J. Therm. Anal. Calorim. 2013. Vol. 111. P. 1685–1690. 
  9. Mothé G.M., Carvelho C.H.M., Sérvulo E.F.C., Mothé C.G. Kinetic Study of Heavy Crude Oils by Thermal Analysis // J. Therm. Anal. Calorim. 2013. Vol. 111. P. 663–668. 
  10. Oliveira LE, Giordani DS, Paiva EM., de Castro H.F., Silva M. Kinetic and Thermodynamic Parameters of Volatilization of Biodiesel From Babassu, Palm Oil and Mineral Diesel by Thermogravimetric Analysis (TG) // J. Therm. Anal. Calorim. 2013. Vol. 111. P. 155–160. doi: 10.1007/s10973-011-2163-8. 
  11. Slopiecka K, Bartocci P, Fantozzi F. Thermogravimetric Analysis and Kinetic Study of Poplar Wood Pyrolysis // App. Energy. 2012. Vol. 97. P. 491–497. 
  12. Villanueva M., Proupin J., Rodriguez-Anon J.A., Fraga-Grueiro L., Salgado J., Barros N. Energetic Characterization of Forest Biomass by Calorimetry and Thermal Analysis // J. Therm. Anal. Calorim. 2011. Vol. 104. P. 61–67. 
  13. Nowak B., Karlstrom O., Backman P., Brink A., Zevenhoven M., Voglsam S., Winter F., Hupa M. Mass Transfer Limitation in Thermogravimetry of Biomass Gasification // J. Therm. Anal. Calorim. 2013. Vol. 111. P. 183–192. 
  14. Williams A., Jones J.M., Ma L., Pourkashanian M. Pollutants From the Combustion of Solid Biomass Fuels // Prog. Energy Combustion Sci. 2012. Vol. 38. P. 113–137. 
  15. Pokrobko S., Krol D. Thermogravimetric Research of Dry Decomposition // J. Therm. Anal. Calorim. 2012. Vol. 111. P. 1811–1815. doi: 10.1007/s10973-012-2398-z. 
  16. Shen D.K., Gu S., Luo K.H., Bridgwater A.V., Fang M.X. Kinetic Study on Thermal Decomposition of Woods in Oxidative Environment // Fuel. 2009. Vol. 88(6). P. 1024–1030. doi: 10.1016/j.fuel.2008.10.034 
  17. Shen D.K., Gu S., Baosheng Jin, Fang M.X. Thermal Degradation Mechanisms of Wood Under Inert and Oxidative Environments Using DAEM Methods // Bioresource Techn. 2001. Vol. 102, № 2. P. 2047–2052. 
  18. Korobeinichev O.P., Paletsky A.A., Gonchikzhapov M.B., Shundrina I.K., Haixiang C., Naian L. Combustion Chemistry and Decomposition Kinetics of Forest Fuels. Procedia Eng. 2013. Vol. 62. P. 182–193. 
  19. Van den Velden M., Baeyens J., Brems A., Janssens B., Dewil R. Fundamentals, Kinetics and Endothermicity of the Biomass Pyrolysis Reaction // Renew Energy. 2010. Vol. 35. P. 232–242. 
  20. Muller-Hagedorn M., Bockhorn H., Krebs L., Muller U. A Comparative Kinetic Study on the Pyrolysis of Three Different Wood Species // J. Anal. Appl. Pyrol. 2002. Vol. 68. P. 231–249. 
  21. Vecchio S., Luciano G., Franceschi E. Expolarative Kinetic Study on the Thermal Degradation of Five Wood Species for Applications in the Archeological Filed // Ann. Chim. 2006. Vol. 96. P. 715–725. 
  22. Senneca O., Chirone R., Masi S., Salatino P. A Thermogravimetric Study of Nonfossil Solid Fuels 1. Inert pyrolysis // Energy Fuel. 2002. Vol. 16. P. 653–660. 
  23. Cai J., Liu R. Research on Water Evaporation in the Process of Biomass Pyrolysis // Energy Fuel. 2007. Vol. 21. P. 3695–3697. 
  24. Yao F., Wu Q., Lei Y., Guo W., Xu Y. Thermal Decomposition Kinetics of Natural Fibers: Activation Energy with Dynamic Thermogravimetric Analysis // Polym. Degrad. Stabil. 2008. Vol. 93. P. 90–98. 
  25. Li Z., Liu C., Che Z., Qian J., Zhao W., Zhu Q. Analysis of Coals and Biomass Pyrolysis Using the Distributed Activation Energy Model // Bioresource Techn. 2009. Vol. 100. P. 948–952. 
  26. Authier O., Thunin E., Plion P., Schönnenbeck C., Leyssens G., Brilhac J.-F., Porcheron L. Kinetic Study of Pulverized Coal Devolatilization for Boiler CFD Modeling // Fuel. 2014. Vol. 122. P. 254–260. 
  27. Дектерев А.А. Математическое моделирование высокотемпературных технологических процессов // VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике: тез. докл. конф. с междунар. участием Екатеринбург, 2013. 
  28. Collazo J., Porteiro J., Miguez J.L., Granada E., Gomez M.A. Numerical Simulation of a Small-Scale Biomass Boiler // Energy Conv. and Manag. 2012. Vol. 64. P. 87–96. 
  29. Hajek J., Jurena T. Modelling of 1 MW solid biomass combustor: simplified balance-based bed model coupled with freeboard CFD simulation // Chem. Eng. Transactions. 2012. Vol. 29. P. 745–750. 
  30. Porteiro J., Collazo J., Patino D., Granada E., Gonzalez J.C.M., Miguez L. Numerical Modeling of a Biomass Pellet Domestic Boiler // Energy & Fuels. 2009. Vol. 23. P. 1067–1075. 
  31. Chaney J., Liu H., Li J. An Overview of CFD Modelling of Small-Scale Fixed-Bed Biomass Pellet Boilers with Preliminary Results from a Simplified Approach // Energy Conv. and Manag. 2012. Vol. 63. P. 149–156. 
  32. Papadikis K., Gu S., Bridgwater A.V., Gerhauser H. Application of CFD to Model Fast Pyrolysis of Biomass // Fuel Proc. Techn. 2009. Vol. 90. P. 504–512. 
  33. Ion V., Popescu F., Rolea G. A Biomass Pyrolysis Model for CFD Application // J. Therm. Anal. Calorim. 2013. Vol. 111. P. 1811–1815. 
  34. Al-Abbas A.H., Naser J., Dodds D. CFD Modelling of Air-Fixed and Oxy-Fuel Combustion of Llignite in a 100 KW Furnace // Fuel. 2011. Vol. 90. P. 1778–1795. 
  35. Yang Y.B, Yamauchi H., Nasserzadeh V., Swithenbank J. Effects of Fuel Devolatilisation on the Combustion of Wood Chips and Incineration of Simulated Municipal Solid Wastes in a Packed Bed // Fuel. 2003. Vol. 82. P. 2205–2221.