1247
Керування рухом летких продуктів усередині реактора з фіксованим шаром дає змогу перетворювати більше низькореакційного вугілля на цінну смолу. Команда Ерфена Ху (Erfeng Hu) з Чунцінського університету показала, що спрямування парів у холоднішу центральну зону обмежує небажані вторинні реакції, підвищує вихід смоли, частку легких фракцій та теплоту згоряння піролізного газу. Роботу опубліковано в журналі Sustainable Carbon Materials, про неї повідомляє Newswise Science News.
Як внутрішні структури змінюють піроліз вугілля
Піроліз перетворює вугілля на смолу, газ і твердий кокс і розглядається як перспективний спосіб чистішого використання низькореакційного вугілля. Відомо, що на продукти піролізу впливають марка вугілля, розмір частинок, мінеральний склад, температура, швидкість нагрівання, тиск і конфігурація реактора.
Реактори з фіксованим шаром з непрямим нагріванням здатні давати відносно високий вихід смоли, але обмежена ефективність теплопередачі та інтенсивні вторинні реакції можуть погіршувати її якість. Внутрішні елементи конструкції можуть змінювати тепло- і масоперенесення, однак більшість попередніх робіт зосереджувалася на загальних виходах продуктів, а не на тому, як саме ці структури змінюють шляхи руху летких речовин.
Автори дослідження поставили за мету безпосередньо пов’язати геометрію реактора з траєкторіями потоку летких продуктів і властивостями смоли, газу та коксу. Для цього вони порівняли два варіанти фіксованого шару: без внутрішніх елементів та з системою з чотирьох нагрівальних пластин і центральної газозбірної труби.
Експерименти з кварцовим шаром і термоаналізом
У дослідах використовували довгополум’яне вугілля та хімічно інертні кварцові частинки, просіяні до розміру менше 3 мм. Їх завантажували в реактори в різних просторових комбінаціях. Після продування азотом установки нагрівали в однакових умовах і зупиняли піроліз, коли температура в центрі шару досягала 500 °C.
Коли багаті на смолу пари проходили крізь шар кварцу, конденсація та закоксування затемнювали поверхню частинок. Це дозволило візуально простежити основні шляхи перенесення летких речовин. Паралельно вимірювали вихід смоли, води, газу та коксу, а також аналізували фракційний склад смоли й склад газу.
Для характеристики виділення летких сполук застосували термогравіметричний аналіз у поєднанні з Фур’є-інфрачервоною спектроскопією (FTIR) та газовою хроматографією з мас-спектрометрією (GC-MS). Моделі Кіссінджера–Акіхіри–Суносе (Kissinger–Akahira–Sunose) та Флінна–Волла–Озави (Flynn–Wall–Ozawa) використали для розрахунку уявних енергій активації. Додаткові випробування у реакторі діаметром 200 мм перевірили, чи зберігається ефект керування потоком при масштабуванні.
Три стадії піролізу та зміна енергії активації
Термоаналіз виявив три основні стадії піролізу. Основне виділення вуглецевмісних летких сполук відбувалося в діапазоні 300–600 °C, з особливо інтенсивною еволюцією поблизу 500 °C. Уявні енергії активації зростали від приблизно 67–73 кДж/моль на низьких ступенях перетворення до 294–306 кДж/моль на високих, що відображає послідовний розклад більш стабільних структур вугілля.
Зміна кольору кварцу показала, що внутрішні елементи відводять пари від перегрітої при стінці зони до холоднішого ядра реактора. На поверхні частинок утворювався характерний L-подібний малюнок відкладень. Такий змінений шлях сприяв конденсації та контрольованому рекрекінгу важких компонентів смоли, водночас зменшуючи тривалий контакт цих сполук із гарячим коксом.
Більше смоли, легші фракції та енергоємніший газ
Реактор із внутрішніми елементами дав вищий вихід смоли та менший вихід газу й води порівняно з базовою конфігурацією. Залежно від способу завантаження шару вихід смоли зріс з 4,93 до 5,76 мас.% та з 5,62 до 6,10 мас.%. Частка легкої фракції смоли досягла 74,42%.
У газовій фазі зменшився вміст водню та зріс вміст метану, що підвищило вищу теплоту згоряння газу з 20,60 до 21,69 МДж/Нм³ у відповідній конфігурації. Масштабні випробування підтвердили подібні зміни властивостей коксу, що додатково підтримує запропонований механізм перенесення летких продуктів.
Перспективи методу та подальші кроки
Загалом робота демонструє, що геометрія реактора може цілеспрямовано керувати рухом летких речовин і, відповідно, перебігом реакцій піролізу вугілля. Кварцовий «трасер» наочно пов’язує внутрішні картини потоку з властивостями смоли, газу та коксу, хоча наразі цей підхід дає переважно якісну, а не кількісну інформацію.
Автори зазначають, що поєднання такого методу з аналізом відтінків сірого на зображеннях або з вимірюванням вмісту вуглецю на поверхні могло б покращити оцінку відкладень летких речовин. Разом із аналізом продуктів і кінетичними розрахунками цей підхід пропонує масштабовану стратегію для підвищення виходу смоли, збільшення частки легких фракцій і покращення якості паливного газу під час переробки низькореакційного вугілля.
Внутрішні елементи реактора підвищують вихід цінної смоли з вугілля з’явилася спочатку на Цікавості.
