Научно-технические основы и прикладные решения комплексной энерготеплотехнологической переработки биомассы для обеспечения экологически чистых технологий в энергетике и металлургии

Необходим поиск эффективных способов утилизации местных биоотходов, поскольку возникающие полигоны и свалки увеличивают экологическую и санитарно-эпидемиологическую опасность для территорий в зоне их нахождения. Например, длительное хранение сельскохозяйственных отходов приводит к их гниению и выделению токсичных веществ, что ухудшает санитарную обстановку, а их захоронение приводит к деградации плодородного слоя почвы. Накопление различных древесных отходов лесоперерабатывающей промышленности увеличивает пожароопасность лесов и предприятий, осуществляющих эту деятельность. В качестве метода утилизации рассмотрены различные типы термической переработки (медленный и быстрый пиролиз), которые позволяют обеспечивать практически безотходный процесс с получением энергетически и химически ценной продукции (высококалорийные твердые, жидкие и газообразные топлива, углеродные сорбенты). Объектами исследованиями выбраны пробы биомассы, характерные для Западной Сибири (солома, отруби, скорлупа орехов, сосновые опилки, навоз, торф, древесная щепа). Характеристики исходных топлив определены согласно аттестованным методикам ГОСТ. Исследование различных видов биомассы осуществлено посредством широкого спектра анализов, включающих рентгенофлуоресцентный и рентгенофазовый анализы, газовую хроматографию, дифференциально-термический анализ, сканирующую микроскопию, физический эксперимент. Установлено, что медленный слоевой пиролиз биомассы протекает с преобладанием экзотермических реакций, что обеспечивает положительный тепловой эффект переработки. При этом процесс пиролиза навоза и опилок может быть осуществлен в автотермическом режиме за счет собственного тепловыделения; для пиролиза отрубей, соломы и торфа требуется частичный подвод внешней энергии. Определено, что быстрый пиролиз, в частности СВЧ-пиролиз, позволяет генерировать газ с высокой долей горючих компонентов – метана, водорода и монооксида углерода, низким содержанием балластного диоксида углерода. Теплота сгорания полученного газа составила 15-24 МДж/м3. Разработан способ повышения морфометрических характеристик зерновых культур и плодородия почвы за счет внесения биоугольных мелиорантов, полученных посредством медленного пиролиза. Определены условия термической переработки биомассы в присутствии неорганических катализаторов, позволяющие достичь существенного снижения выхода смол в составе газообразных продуктов термической переработки биомассы, что положительным образом сказывается на повышение их теплоты сгорания и КПД переработки в целом. Разработана математическая модель термической переработки биомассы, позволяющая спрогнозировать распределение теплоты в процессе медленного пиролиза в неподвижном слое. Используя математическую модель, получено распределение температур внутри слоя перерабатываемого сырья во времени, отражены тепловые эффекты термической деструкции, влияющие на распределение температурного поля. Сформированы технические решения в виде заявок на выдачу патента на изобретение.