Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы.
Современное состояние, техники и технологии- термохимической переработки древесины .
Классификация технологий термического разложения древесины
Научные основы термического разложения древесины в режиме абляции
Вывод 28
Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме
Физическая картина процесса термического разложения древесины в режиме механической абляции
Формализация процесса термического разложения древесины в режиме механической абляции
Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме
Алгоритм расчета математической модели термического разложения древесины в режиме абляции
Вывод 57
Экспериментальное исследование и математическое моделирование термического разложения древесины в режиме механической абляции
Экспериментальное оборудование для исследования
Методика проведения эксперимента по изучению процесса термического разложения древесины в режиме механинеской абляции ;
Исследование кинетики быстрого абляционного пиролиза древесины
Анализ результатов математического моделирования
Исследование коэффициента трения-скольжения при абляционном пиролизе древесины,
Вывод 84.
Промышленная реализация результатов исследований термического разложения в режиме абляции
Описание установки дляїтермического разложениядревесины. в режиме механической абляции
Инженерная методика расчета реактора для термического разложения древесины в режиме механической абляции
Опытно-промышленная установка для переработки древесных отходов методом термического разложения в режиме абляции
Испытания реактора абляционного пиролиза в составе опытно-промышленной установки для переработки древесных отходов
Технико-экономический анализ технологии термического разложения древесины в режиме абляции
Вывод 107
Основные результаты и выводы 108
Список использованной литературы
- Классификация технологий термического разложения древесины
- Формализация процесса термического разложения древесины в режиме механической абляции
- Исследование кинетики быстрого абляционного пиролиза древесины
- Опытно-промышленная установка для переработки древесных отходов методом термического разложения в режиме абляции
Введение к работе
Актуальность работы
В связи с промышленным развитием многих стран увеличивается их потребность в альтернативных возобновляемых источниках энергии, одним из которых является древесная биомасса. Однако, существенным недостатком биомассы в качестве источника энергии является низкая энергетическая плотность, что увеличивает затраты на её сбор, транспортировку и хранение, тем самым снижая эффективность использования в существующей инфраструктуре. Значительно повысить технологичность и эффективность использования биомассы позволяет технология быстрого пиролиза, которая обеспечивает переработку древесной биомассы с высоким выходом жидких продуктов. Проведенный анализ существующих технологических схем процесса быстрого пиролиза показал, что основное их различие заключается в типе реактора. При децентрализованной переработке древесной биомассы и лесосечных отходов наиболее эффективную переработку позволяют обеспечить абляционные реакторы. Они обладают высокой удельной производительностью и менее требовательны к подготовке исходного сырья. Однако, технология термического разложения в режиме быстрого абляционного пиролиза находится на опытном уровне и поэтому исследования, направленные на разработку абляционного реактора быстрого пиролиза являются актуальными.
Работа выполнена при поддержке: гранта Президента РФ № МК-
2950.2007.3, гранта Всемирного банка в рамках конкурса «Инновации для
устойчивого развития РТ» и гранта по программе Старт 1 № 09-4-Н4.4-0133.
Цель работы состоит в исследовании термического разложения
древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза и разработке автономной
технологии переработки древесины с получением преимущественно жидких
продуктов пиролиза. В связи с этим в представленной работе были поставлены
следующие задачи:
Идентифицировать физическую картину процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза;
Разработать математическую модель термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза;
Разработать алгоритм расчета математической модели термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза;
Разработать экспериментальный стенд и провести исследования термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза в зависимости от режимных параметров;
Разработать и изготовить промышленный образец, а также определить рациональные режимы ведения процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза при переработке древесины в жидкие продукты.
Научная новизна
В ходе проделанной работы:
Разработана математическая модель термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза, учитывающая режимные параметры процесса и толщину слоя промежуточного продукта;
Впервые экспериментально определен коэффициент трения скольжения (0,08 - 0,2) при термическом разложении древесины в режиме механической абляции;
Экспериментально определено влияние скорости смещения, температуры поверхности и давления на образец на скорость термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза;
Расчетно-экспериментальным методом определена оптимальная скорость смещения образца древесины относительно поверхности нагрева (1,32 м/с) при которой обеспечиваются минимальные удельные энергетические затраты на процесс термического разложения в режиме быстрого абляционного пиролиза.
Практическая ценность
Результаты исследования термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза и математическое описание данного процесса позволяют определить скорость термического разложения в зависимости от режимных параметров процесса. В ходе проделанной работы был разработан экспериментальный стенд для определения характеристик процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза и методика проведения на нем экспериментов, а также разработана схема промышленной установки для термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза. Разработана конструкция реактора абляционного пиролиза и методика его расчета, которые могут быть использованы при проектировании производственных комплексов термической переработки древесины.
Реализация работы
Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета, конструкторской документации и инструкций по эксплуатации абляционного реактора для установки быстрого пиролиза. По результатам исследований разработана схема производственного комплекса по переработке древесины методом термического разложения. Разработана и внедрена в производство в Матюшинском производственном участке №2 ГБУ РТ «Пригородное лесничество» опытно-промышленная установка для термохимической переработки низкокачественной древесины, включающая разработанный реактор абляционного пиролиза.
Автор защищает:
Математическую модель термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза;
Конструкцию экспериментального стенда для исследования процесса
термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза и методику проведения на нем экспериментов;
Результаты математического моделирования и проведенных экспериментов на стенде для исследования процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза;
Схему промышленной установки для термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной Научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития лесного комплекса", г. Вологда 2008; II Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология", г. Казань 2008; Международном симпозиуме "Энергоресурсоэфективность и энергосбережение", г. Казань 2009; Международной молодежной научной конференции "Тинчуринские чтения", г. Казань 2009; Международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях" - ММТТ-22, г. Псков 2009; Международной научно-практической конференции "Биоэнергетика и биотехнологии - эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки", г. Москва 2009; IV Всероссийской научно-практической конференции "Энергетика в современном мире", г. Чита 2009.
Личное участие автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены экспериментальные стенды для исследования процесса термического разложения древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза, выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.
Публикации
По результатам выполненных исследований автором опубликовано 15 печатных работ, из которых 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК и 1 патент РФ.
Объем и структура работы
Классификация технологий термического разложения древесины
Первое упоминание об исследовании быстрого абляционного пиролиза приводится в работах Lede [51]. Профессор исследовал скорость реакции разложения древесных частиц, которые подвергались быстрому контактному пиролизу с вращающимся горячим стальным диском. Принцип работы установки профессора Jacques Lede представлен на рис. 1.14.
Экспериментальная установка состояла из диска нержавеющей стали, который вращался с постоянной и регулируемой скоростью. Диск нагревался до различных температур четырьмя газовыми горелками снизу. Температура диска фиксировалась термопарой, прижатой к лицевой поверхности. Эксперимент осуществлялся с использованием цилиндрических образцов древесины бука. По результатам экспериментов с брусками диаметром 2, 3, 4, 6 и 10 мм Lede отметил, что в результате процесса быстрого абляционного пиролиза образовались почти только газы и жидкости. Твердые остатки представляли собой главным образом золу, отложившуюся на диске. По наблюдениям автора полученная в результате термического разложения жидкость непрерывно удалялась из зоны контакта образца с диском, на котором она подверглась дальнейшему разложению. Присутствие тонкого слоя промежуточной жидкости между древесиной и диском действовало как своего рода смазка.
Также в работе Н. Martin была предпринята попытка аналитического описания процесса быстрого абляционного пиролиза. В работе сообщается об аналитическом и экспериментальном исследовании абляционного плавления твердого цилиндра перпендикулярно прижатого к горячей поверхности. Явное аналитическое решение найдено для скорости удаления (абляции) по времени при различных температурах и примененного давления, а так же геометрических и физических свойств исследуемых тел и жидкостей. Однако в работе было принято допущение, что поверхность нагрева - стационарная поверхность. Если рассматривать реальную модель то эта поверхность должна двигаться с определенной скоростью, тем самым обеспечивая постоянное обновление поверхности абляции. Полученные экспериментальные данные в условиях быстрого абляционного пиролиза подтверждают теоретическую модель «плавления». Эксперименты выполнялись с такими веществами как лед, парафин, свинец, пластмасса и древесина. Результаты были подобны во всех экспериментах. Скорость удаления (абляции) v пропорциональна давлению р по степенной зависимости с показателем степени F. В зависимости от вещества F=0.04 для льда, 0.3 для парафина, 0.7 для свинца, 0.8 для пластмассы, 1 для древесины.
Авторы статьи сделали выводы, что скоростью термического разложения лимитировала теплопередача через тонкий слой образовавшихся жидких продуктов. Следовательно, быстрый пиролиз древесины можно рассматривать как процесс «плавления» с температурой плавления древесины 739 К (466 С). Ro
Схематично процесс быстрого абляционного пиролиза представлен на рисунке 1.15. Цилиндрическое тело диаметром 2Ro и длиной намного больше, чем 2Ro непрерывно прижато к горизонтальной поверхности с температурой Тр) которая выше чем температура плавления тела Tf, В устойчивом состоянии жидкий слой, толщиной s будет сформирован радиальным потоком жидкости. В результате вычислений автор получает:
В первом приближении уравнение показывает, что скорость термического разложения в режиме абляции относится к усилию прижима как 1:4, к радиусу цилиндра как 1:2, к разности температур как 3:4.
Профессор Di Blasi представила аналитическую модель термического разложения древесины, контактирующей с горячим крутящимся диском под высоким давлением. С её позиции твердое вещество в первую очередь подвергается деполимеризации с образованием активного промежуточного продукта, который соответственно испаряется или приводит к образованию угля и газов. Модель учитывала явление передачи тепла через твердый пористый и измельченный (прилегающий к горячему диску) слои; причем свойства и величина этого явления изменяются в течение процесса термического разложения. Автор смоделировала зависимости динамики процесса, скорости абляции, толщины зоны реакции, выхода продуктов от температуры диска и приложенного давления. Di Blasi описывала пиролиз целлюлозы исходя из схемы Broido-Shafizadeh (рис. 1.16).
Olivier Boutin Установка состоит из: кварцевого реактора, внутри которого закрепляется образец и фильтр; последовательно соединенных баллона с инертным газом (аргон) и массового расходометра; ксеноновых ламп и двух эллиптических зеркал; емкости для размещения цеолита, соленоидного клапана и емкости для отбора проб; а так же компьютера и фотоэлемента. Мгновенный радиационный пиролиз происходил в результате нагревания образца до температуры порядка 800 - 1000 ОС путем направленного пучка света ксеноновой лампы. Проходя через два эллиптических зеркала пучок света сходится в центральной зоне на образце древесины, в результате чего образец нагревается до высокой температуры. Эксперименты, проводимые с пеллетами, показали, что реакция происходит в основном через жидкий слой с коротким временем жизни, равным около 20 мсек.
Количественное исследование потери массы образца и массы жидкого слоя свидетельствует о существовании переходного периода в стационарном режиме в результате чего происходит равновесие между разложенной целлюлозой и самим жидким слоем. Параллельно была решена математическая модель данного процесса. Результаты очень хорошо согласуются с экспериментальными измерениями и дают дополнительную информацию о пиролизе целлюлозы. В исследованиях Boutin предлагается схема протекания процесса мгновенного радиационного пиролиза целлюлозы представленная нарис. 1.16.
Формализация процесса термического разложения древесины в режиме механической абляции
Как показал вышеизложенный анализ физической картины процесса, процесс кондуктивного термического разложения древесины в режиме механической абляции с математической позиции представляет собой задачу тепломассообмена в различных фазах при наличии химических превращений и подвижных границ. При этом математическая модель термического разложения должна предусматривать следующие основные физико-химические процессы: перенос теплоты- через тонкий слой промежуточной жидкости; первичное термическое разложение древесины с образованием жидкого расплава на подвижной границе; перенос теплоты в древесине; движение жидкости; вторичные реакции термического разложения в тонком слое жидкости. Учитывая сложность процесса термического разложения и сложность математического описания гидродинамики реагирующего слоя промежуточного продукта, целесообразно принять следующие допущения: 1) Положим, что первичное термическое разложение древесины происходит подобно фазовому переходу первого рода при определенном значении температуры Тф с поглощением теплоты химических реакций, что подтверждается экспериментальными исследованиями ряда авторов [22,90]. При этом прямой замер температуры в области первичного термического разложения показывает, что плавление древесины протекает при постоянном значении температуры Тф= 733 К, близком к теоретической температуре плавления целлюлозы 450 С [18]. Также положим, что фронт первичного термического разложения представляет собой резкую границу раздела между двумя фазами материала, в данном случае древесины и жидкости. 2) Полагаем, что механизм термического разложения при кондуктивном термическом разложении древесины в режиме механической абляции осуществляется по двухстадийному механизму: на первом этапе осуществляется разложение с образованием промежуточного жидкого вещества, а на втором этапе термическое разложение интермедиата на углистое вещество, пары и неконденсируемые газы.
Схематично механизм термического разложения при абляционном пиролизе представлен на рис 2.2. Первичные превращения лигноцеллюлозного комплекса древесины осуществляются согласно предыдущему допущению на границе раздела фаз древесина - жидкий слой промежуточного вещества. Вторичные химические реакции осуществляются в жидком слое промежуточного вещества и на удалении от образца. Причем следует отметить, что химические реакции на первом и втором этапах эндотермические. Для принятого механизма термического разложения, согласно работ [83,- 84, 85], принимаем кинетические константы, представленные в таблице 2.1,
Кинетические константы реакций термического разложения при кондуктивном термическом разложении древесины в абляционном режиме 3) Считаем что лимитирующим механизмом на первой стадии термического разложения является подвод тепловой энергии через тонкий слой жидкости то есть необходимым условием первичного реагирования является достижение температуры первичного разложения и подведение теплоты необходимой для химической реакции. Оценим правомерность данного допущения. Рассмотрим отношение скорости первичной химической реакции к скорости диффузии тепла необходимого для реагирования. Произвести данную оценку возможно по выражению
В случае если значение комплекса Q значительно более 1, то тогда наши рассуждения правомерны и возможно пренебречь рассмотрением кинетического механизма реакций на первой стадии. Числитель выражения (2.1) представляет собой константу скорости химической реакции (продолжительность реакции при нулевом порядке) первой стадии принятого механизма термического разложения, и может быть для изотермических условий абляционного пиролиза на границе раздела фаз- определена по уравнению Аррениуса М = 2.8-10-ехР( ) = 158,95. .) Я-733 Знаменатель выражения (2.1) представляет величину, имеющую физический смысл скорости подвода тепла в условиях абляционного пиролиза, которое необходимо для обеспечения протекания первой реакции. Значение данной величины можно определить с помощью выражения, отношением удельного теплового потока от нагретой поверхности к количеству теплоты необходимому для обеспечения прогрева древесины и обеспечения химической реакции при абляционном пиролизе. _ Чподвод _ К(Тпов-Тф) (23.)
Принимая достаточно жесткие условия для кондуктивного термического разложения древесины в режиме механической абляции: при температуре поверхности Тпов=973 К, коэффициенте теплопередачи, который определился как сумма термических сопротивлений древесины и интермедиата в окрестности границы раздела фаз и сопротивления при передаче теплоты от поверхности нагрева к жидкому слою при давлении 5x10 Па К =614,9 Вт/м2К [83], толщине слоя =50 мкм, теплоемкости и плотности древесины сф=2,8 кДж/кгК, /?ф=500 кг/м выражение (2.3.) перепишется Значение комплекса в 49,2 раз больше 1, это означает что скорость химических реакций при прочих равных условиях в 49,2 раз выше скорости подвода тепла, поэтому кинетическим механизмом реагирования для первой реакции принятого механизма пренебрегаем.
Поскольку теоретический расчет толщины слоя усложняется определением его динамических характеристик и заданием подвижных граничных условий в системе уравнений сопряженной задачи гидродинамики и тепломассообмена целесообразно упростить расчетные зависимости определения толщины слоя жидкости. При незначительной толщине от 10 до 200 мкм [84,85] давление в слое и его несущую способность будут определять силы вязкости, так как они значительно больше, чем силы инерции частиц жидкости, и структура контактируемых поверхностей. В практическом случае высоты неровностей нагретой поверхности могут составлять величины порядка толщины слоя, а возможно и превышать его. В данном случае возможно возникновение граничных и переходных режимов, а также и режимов при которых создается дополнительное гидродинамическое давление от наклонной поверхности неровностей. Учет всех составляющих гидродинамических и молекулярных эффектов выходит за рамки данной работы. Случай же рассмотрения абсолютно гладких поверхностей не представляет особого практического интереса. Поэтому, учитывая сложность гидродинамики в тонком слое в совокупности с процессами тепломассопереноса при кондуктивном быстром абляционном пиролизе, положим, что при определенной совокупности стационарных значений температуры поверхности нагрева Тпов, линейной скорости смещения поверхности нагрева относительно образца Иабл, приложенного усилия на образец Р и площади сечения образца S существует единственное эквивалентное обозначенным величинам значение толщины слоя жидкости 5. Причем значение функции 8 от перечисленных параметров подлежит экспериментальной идентификации. 5) Ввиду относительно высокого температурного уровня процесса 700-1000 К, малой протяженности зоны механического взаимодействия и невысоких скоростей, пренебрегаем влиянием тепловой энергии выделившейся в результате трения в слое промежуточной жидкости. 6) Рассмотрим одномерную задачу. 7) Полагаем, что древесина имеет низкую влажность до 10% (аба), то есть присутствует только связанная влага в незначительном количестве, которая не оказывает значимого влияния на ход тепломассообменного процесса и химические реакции.
Исследование кинетики быстрого абляционного пиролиза древесины
Учитывая интенсивность режима и объемное реагирование в пленке возможно нарушение сплошности пленки, что затрудняет анализ температурного поля с помощью уравнения теплопроводности. Поэтому при рассмотрении пленки в области 0 z a будем оперировать средними значениями температуры и концентрациями компонентов по толщине, при этом в точке 0 начальные значения температуры и концентраций компонентов будут задаваться как среднее арифметическое по результатам решения задачи (2.11)- (2.27). Поскольку реакции термического разложения в пленке будут проходить при более значительных температурах, чем температура насыщения парообразных компонентов, то от поверхности пленки устремится молярный поток парогазовой смеси jnrc. При этом лимитировать процесс разложения будет тепловой поток от нагретой поверхности к пленке, который можно определить выражением. а = а (Т -Т ) (2.43.) Ч " кип \г пов хсл
Согласно представленной на рис 2.5. расчетной схемы процесса и сделанных заключений тепловой баланс для локального объема пленки в области 0 z a запишется в виде выражения: Ч = ЧХгМ + сп + Япр (2.44.) где удельный тепловой поток qXUM за счет химических реакций в пленке определится соотношением: Чхим = РжЯК Ч +k2Ah3 + kAAh4) + pJ(k5Ah5 +k6Ah6), (2-45-) удельный тепловой сток за счет испарения жидких продуктов термического разложения определится соотношением: = Г я (2 46 Уисп rnJucn , ГДЄ Jucn д и удельный тепловой поток qnp, направленный на изменение температуры слоя (прогрев) определится соотношением: qnp=cCnPcl-1SL5. dj . (2-47.) йт С учетом выражений (2.43)-(2.47) дифференциальное выражение для определения средней температуры слоя запишется в виде: сч dT g , ma г s СП здесь константы скоростей химических реакций определяются с помощью выражений (2.22)-(2.24). Теплоту парообразования для смеси паров в выражении (2.48.) можно определить выражением: А (2.49.) а объемную теплоемкость с помощью соотношения: Сс«рсл =сжрж + сугруг, (2-50) где плотность промежуточной жидкости и угля определяются уравнениями химической кинетики, которые с учетом третичных превращений запишутся в виде: = Рпк5+РЖк2, = -рп(к5+к6)- + ржк3 (2.51.) (2.52.) (2.53.) Интенсивность испарения паров с поверхности слоя, предполагая постоянство температуры при испарении, можно определить соотношением:
Эффективную толщину слоя с учетом изменения концентраций компонентов можно определить с помощью выражения:
Поток парогазовой смеси с поверхности слоя можно определить с помощью выражения: Jmc = 2 + Sp„k5 + jucn . 2-56-) Аналогично предыдущей задаче принимаем, что поверхность нагрева движется равномерно, и тогда связь координаты со временем можно определить соотношением:
Начальные условия для выражений (2.48),(2.51)-(2.53), на основании принятого предположения запишутся в виде: Р,,(0) = -І- - Решение начальной задачи (2.48), (2.51)-(2.53), при данных сопряженных начальных условиях позволит оценить протяженность зоны вторичного термического разложения при термическом разложении древесины в абляционном режиме.
Таким образом, представленная совокупность выражений позволяет, при сформулированных начальных и граничных условиях, осуществить моделирование термического разложения древесины в абляционном режиме в зоне нагрева образца и первичного термического разложения, а также в зоне вторичного разложения слоя жидкого интермедиата. Для полного замыкания системы уравнений необходима идентификация функции (2.11) путем решения обратной задачи сопоставляя значения, полученные при физическом и математическом моделировании в идентичных условиях. 2.4 Алгоритм расчета математической модели термического разложения древесины в режиме абляции
Разработанная математическая модель процесса термического разложения древесины в режиме абляции представляет собой нелинейную систему дифференциальных уравнений с границей раздела фаз и подвижным граничным условием. Даже при постоянных коэффициентах уравнений вследствие наличия в ней условия типа Стефана на границе фазового перехода модель является нелинейной и основным методом ее решения служат численные методы [14,29]. Одним из наиболее универсальных и эффективных методов приближенного решения дифференциальных уравнений является метод конечных разностей, суть которого состоит в замене области непрерывного изменения аргументов конечным множеством узлов. При этом производные, входящие в дифференциальное уравнение, аппроксимируются при помощи разностных отношений. Для решения задач Стефана существуют специально разработанные разностные методы решения. Причем для решения одномерных задач наиболее применим метод ловли фазового фронта в узел разностной сетки [29]. Характерная особенность данного»метода состоит в том, что шаг по времени выбирается таким образом, что за каждый шаг по времени фронт термического разложения перемещался ровно на один шаг по координате.
Опытно-промышленная установка для переработки древесных отходов методом термического разложения в режиме абляции
С помощью разработанных методов проведения эксперимента и обработки данных на экспериментальном стенде для исследования быстрого абляционного пиролиза была осуществлена серия экспериментов по определению зависимостей скорости абляции древесины сосны при различных: температурах, давлениях и частотах вращения диска. Результаты экспериментального исследования представлены в виде графических зависимостей на рисунках 3.8-3.11.
На рис. 3.8 представлена экспериментальная зависимость скорости термического разложения в режиме абляции Va6j7 от давления. Зависимость получена при абляционном пиролизе сосновых образцов при постоянных температуре (500 С ) и частоте вращения диска (180 об/мин.). Как видно из данной зависимости, увеличение давления оказывает значительное влияние на скорость процесса.
Данное увеличение скорости при повышении контактного давления можно объяснить: уплотнением зоны термического разложения и как следствия увеличения коэффициента ее теплопроводности, улучшением условий эвакуации парогазовой смеси из зоны реакции путем выдавливания, более совершенным тепловым контактом на границе раздела фаз и измельчением зоны готового продукта. Экспериментальная зависимость скорости термического разложения в режиме абляции в исследуемом диапазоне давлений показывает хорошее согласование со степенной функцией с незначительным снижением влияния давления на скорость пиролиза.
На рис. 3.9 представлена экспериментальная зависимость скорости термического разложения древесины от скорости смещения образца относительно поверхности абляции. Данная зависимость была получена при постоянных значениях температуры диска (500 С) и давления (2 атм.). Как видно из данной зависимости скорость термического разложения значительно увеличивается до средней линейной скорости смещения диска относительно образца 1,43 м/с, дальнейшее увеличение скорости смещения диска в исследуемом диапазоне приводит к стабилизации скорости термического разложения на уровне 0,35-0.37 мм/сек. Данный характер зависимости можно объяснить наличием двух принципиально различных режимов абляционного пиролиза в исследуемом диапазоне: в первом случае при низких скоростях смещения диска относительно образца над зоной термического разложения образуется зона уплотненного готового продукта, которая приводит к значительному лимитированию скорости пиролиза. Поэтому в этом случае незначительное увеличение скорости приводит к значительной интенсификации процесса вследствие механического сдвига и уноса хрупкой зоны готового продукта. Во втором случае при скорости смещения диска относительно образца свыше 1,43 м/с, толщина зоны термического разложения стремится к нулю, и процесс лимитируется кондуктивным подводом теплоты к зоне реакции, теплопроводностью древесины, скоростями реакций разложения и отвода продуктов, при этом скорость пиролиза при дальнейшем увеличении скорости смещения остается практически постоянной.
На рис. 3.10. представлена зависимость скорости термического разложения древесины в режиме абляции от температуры диска (поверхности абляции). Как видно из данной зависимости температура оказывает значительное влияние на скорость пиролиза. Увеличение температуры при прочих постоянных условиях приводит к экспоненциальному увеличению скорости абляционного пиролиза, что соответствует закону Аррениуса о формальной химической кинетики. Тем не менее, следует отметить, что повышение температуры оказывает значительное влияние на состав образующихся продуктов. При повышении температуры доля неконденсирующихся газов значительно увеличивается с соответственным снижением доли жидких органических продуктов, при этом в составе жидкой фракции увеличивается количество высококипящих компонентов. Наибольший выход жидких продуктов отмечается в температурном диапазоне 460-530 С.
Также в ходе экспериментальных исследований были получены температурные поля пиролизуемого образца. На рис. 3.11. представлено пространственно-временное распределение температуры по длине пиролизуемого в абляционном режиме образца. Как видно из данного распределения локальные температурные кривые в образце обладают значительной нелинейностью. Прогрев материала в зоне прогрева древесины на протяжении процесса осуществляется незначительно при практически стабильных значениях температуры, однако в зоне термического разложения температура изменяется почти мгновенно и уже через 2-5 сек. достигает значения близкого к температуре нагревающей поверхности.
