vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2022-67-4-379-392vestift-765Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERКаталитические свойства некоторых минеральных солей по отношению к процессу разложения пиролитической смолыCatalytic properties of some mineral salts in relation to the process of decomposition of pyrolysis tarМалькоМ. В.MalkoM. V.

Малько Михаил Владимирович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

ул. Академическая, 15, корп. 2, 220072, Минск

Mikhail V. Malko – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher

15, building 2, Academicheskaya Str., 220072, Minsk

mikhailvm@bas-net.byhttps://orcid.org/0000-0002-1754-8262ДобрегоК. В.DobregoK. V.

Добрего Кирилл Викторович – доктор физико-математических наук, профессор

пр. Независимости, 65, 220013, Минск

Kirill V. Dobrego – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor

65, Nezavisimosti Ave., 220013, Minsk

kirilldobrego@gmail.comВасилевичС. В.VasilevichS. V.

Василевич Сергей Владимирович – кандидат технических наук, заведующий лабораторией

ул. Уборевича, 77, 220072, Минск

Siarhei V. Vasilevich – Ph. D. (Engineering), Head of the Laboratory

77, Uborevich Str., 220072, Minsk

svasilevich@yandex.ruДегтеровД. В.DegterovD. V.

Дегтеров Дмитрий Валентинович – старший научный сотрудник

ул. Академическая, 15, корп. 2, 220072, Минск

Dmitry V. Degterov – Senior Researcher

15, building 2, Academicheskaya Str., 220072, Minsk

ddegterov@mail.ruИнститут энергетики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Power Engineering of the National Academy of Sciences of BelarusБелорусский национальный технический университетBelarusian National Technical UniversityБелорусская государственная академия авиацииBelarusian State Aviation Academy202202012023674379392Copyright © Малько М.В., Добрего К.В., Василевич С.В., Дегтеров Д.В., 20232023Малько М.В., Добрего К.В., Василевич С.В., Дегтеров Д.В.Malko M.V., Dobrego K.V., Vasilevich S.V., Degterov D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/765

Обсуждаются результаты экспериментального исследования термического разложения древесной пиролитической смолы в гомогенном процессе, а также в присутствии ряда минеральных веществ: сульфата калия, сульфата магния, монокалийфосфата и минерального остатка производства калийных солей (МОКС). Опыты выполнены на лабораторной установке в изотермических условиях при температурах 300, 350 и 400 °С по двум методам, обеспечивающим двухфазный и трехфазный контакт с катализатором соответственно. Установлено, что скорость разложения пиролитической смолы в изученных условиях подчиняется закономерностям, описываемым уравнением Аврами–Ерофеева с переменным показателем n. Область изменения этого показателя в различных опытах включает величины от 0,415 до 1,238. Среднее значение показателя n, рассчитанное по всем вариантам исследования, составило 0,694 (95 % ДИ от 0,605 до 0,783), а медианное значение – 0,639. Обнаружено, что скорость разложения пиролитической смолы возрастает в случае внесения в реакционную зону частиц МОКС, сульфата калия и сульфата магния. Не было обнаружено влияния монокалийфосфата на скорость разложения литической смолы. Показано, что в случае присутствия в процессе МОКС увеличение скорости разложения (убыли) пиролитической смолы обусловлено каталитическим эффектом этого вещества. Наиболее вероятной причиной положительного влияния сульфата калия, а также сульфата магния на скорость разложения пиролитической смолы, по-видимому, также является каталитическое воздействие этих веществ. Определены Аррениусовские параметры гомогенного процесса термического разложения смолы и процесса разложения в присутствии МОКС, а также сульфатов калия и магния. Согласно полученным данным, энергия активации гомогенного процесса составила 29,6 кДж/моль, а предэкспоненциальный фактор – 3,15·101 мин–1 соответственно. Аррениусовские параметры разложения пиролитической смолы в присутствии МОКС по данным выполненных исследований составили 23,0 кДж/моль и 1,82·101 мин–1. Определены Аррениусовские параметры разложения пиролитической смолы в присутствии K2SO4 и MgSO4. В соответствии с оценками энергия активации в присутствии этих веществ составила порядка 50–60 кДж/моль. Представленные в статье результаты исследований могут быть использованы при проектировании теплогенерирующего оборудования, включающего в себя систему очистки продуктов термохимической конверсии растительного сырья.

The paper discusses the results of an experimental study of the thermal decomposition of pyrolytic wood tar in a homogeneous process, as well as in the presence of a number of mineral substances: potassium sulfate, magnesium sulfate, monopotassium phosphate and the mineral residue of the production of potassium salts. The experiments were carried out on a laboratory setup under isothermal conditions at temperatures of 300, 350, and 400 °C by two methods providing two-phase and three-phase contact with the catalyst, respectively. It has been established that the rate of decomposition of pyrolysis tar under the studied conditions obeys the laws described by the Avrami–Erofeev equation with a variable exponent n. The area of change of this indicator in various experiments includes values from 0.415 to 1.238. The mean n value calculated for all study options was 0.694 (95 % CI 0.605 to 0.783), and the median value was 0.639. It has been found that the decomposition rate of the pyrolysis tar increases when MOX particles, potassium sulfate, and magnesium sulfate are introduced into the reaction zone. No effect of monopotassium phosphate on the rate of decomposition of the pyrolysis tar was not found. It is shown that in the case of tailings of potassium salts production an increase in the rate of decomposition of pyrolysis tar is due to the catalytic effect of this substance. The most likely reason for the positive effect of potassium sulfate, as well as magnesium sulfate on the rate of decomposition of pyrolysis tar, is apparently also the catalytic effect of these substances. The Arrhenius parameters of the homogeneous process of thermal decomposition of the pyrolysis tar and the decomposition process in the presence of tailings of potassium salts production, as well as potassium and magnesium sulfates, were determined. According to the data obtained, the activation energy of the homogeneous process was 29.6 kJ/mol, and the pre-exponential factor was 3.15·101 min–1, respectively. The Arrhenius parameters of the decomposition of pyrolysis tar in the presence of tailings of potassium salts production, according to the data of the performed studies, were 23.0 kJ/mol and 1.82·101 min–1. The paper also determined the Arrhenius parameters of the decomposition of pyrolysis tar in the presence of K2SO4 and MgSO4. According to estimates, the activation energy in the presence of these substances was about 50–60 kJ/mol. The research results presented in the article can be used in the design of heat generating equipment, which includes a system for cleaning products of thermochemical conversion of vegetable raw materials.

пиролизные смолысульфат калиясульфат магниямонокалийфосфатминеральный остаток калийного производствакинетика разложенияэнергия активациипредэкспоненциальный факторpyrolysis tarpotassium sulfatemagnesium sulfatemonopotassium phosphatepotash production wastedecomposition kineticsactivation energypre-exponential factorReferencesFortov, V. E. The current status of the development of renewable energy sources worldwide and in Russia / V. E. Fortov, O. S. Popel’ // Therm. Eng. – 2014. – Vol. 61, № 6. – P. 389–398. https://doi.org/10.1134/S0040601514060020Fortov V. E., Popel’ O. S. The current status of the development of renewable energy sources worldwide and in Russia. Thermal Engineering, 2014, vol. 61, no. 6, pp. 389–398. https://doi.org/10.1134/S0040601514060020Coal and Biomass Gasification: Recent Advances and Future Challenges / S. De [et al.]. – Springer Nature, 2018. – 521 p. https://dx.doi.org/10.1007/978-981-10-7335-9De S., Agarwal A. K., Moholkar V. S., Bhaskar T. Coal and Biomass Gasification. Recent Advances and Future Challenges. Springer Nature Publ., 2018. 521 p. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7335-9Afanas’eva, O. V. Energy Efficiency of Small Coal-Fired Power Plants as a Criterion of Their Wide Applicability / O. V. Afanas’eva, G. R. Mingaleeva // Solid Fuel Chem. – 2009. – Vol. 43, № 1. – P. 55–59. http://dx.doi.org/10.3103/S0361521909010121Afanas’eva O. V., Mingaleeva G. R. Energy Efficiency of Small Coal-Fired Power Plants as a Criterion of Their Wide Applicability. Solid Fuel Chemistry, 2009, vol. 43, no. 1, pp. 55–59. http://doi.org/10.3103/S0361521909010121Добрего, К. В. Макрокинетические модели термического разложения доломита для расчета сорбционных систем газогенераторов / К. В. Добрего // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. – 2015. – №. 5. – С. 51–59.Dobrego K. V. Dolomite thermal-decomposition macrokinetic models for evaluation of the gasgenerators sorbent systems. Energetika. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii i energeticheskikh ob”edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 2015, no. 5, pp. 51–59 (in Russian).Guoging Guan. Heterogeneous Catalysts from Natural Sources for Tar Removal: A Mini Review / Guoging Guan, Xiaogang Hao, Abuliti Abudula // J. Adv. Catal. Sci. Techn. – 2014. – Vol. 1, № 1. – P. 20–28. http://dx.doi.org/10.15379/2408-9834.2014.01.01.4Guoging Guan, Xiaogang Hao, Abuliti Abudula. Heterogeneous Catalysts from Natural Sources for Tar Removal: A Mini Review. Journal of Advanced Catalysis Science and Technology, 2014, vol. 1, no. 1, pp. 20–28. http://doi.org/10.15379/2408-9834.2014.01.01.4Sutton, D. Review of literature on catalysts for biomass gasification / D. Sutton, B. Kelleher, J. R. H. Ross // Fuel Process. Technol. – 2001. – Vol. 73, № 3. – P. 155–173. https://doi.org/10.1016/S0378-3820(01)00208-9Sutton D., Kelleher B., Ross J. R. H. Review of literature on catalysts for biomass gasification. Fuel Processing Technology, 2001, vol. 73, no. 3, pp. 155–173. https://doi.org/10.1016/S0378-3820(01)00208-9Characterization and treatment of tars and biomass gasifiers / E. G. Baker [et al.] // AIChE 1988: Summer National Meeting, Denver, Colorado. August 21–24, 1988. – Denver, 1988. – P. 1–11.Baker E. G., Brown M. D., Elliott D. C., Mudge L. K. Characterization and Treatment of Tars from Biomass Gasifiers. AIChE 1988: Summer National Meeting, Denver, Colorado. August 21–24, 1988. Denver, 1988, pp. 1–11.Dayton, D. A Review of the Literature on Catalytic Biomass Tar Destruction. Milestone Completion Report [Electronic resource] / D. Dayton // NREL/TP-510-32815. – 2002. – 27 p. – Mode of access: https://www.nrel.gov/docs/fy03osti/32815.pdf – Date of access: 10.11.2020Dayton D. A Review of the Literature on Catalytic Biomass Tar Destruction. Milestone Completion Report. NREL/TP-510-32815. National Renewable Energy Laboratory, 2002. Available at: https://www.nrel.gov/docs/fy03osti/32815.pdf (accessed 10 November 2020).El-Rub, Z. A. Review of Catalysts for Tar Elimination in Biomass Gasification / Z. A. El-Rub, E. A. Bramer, G. Brem // Ind. Eng. Chem. Res. – 2004. – Vol. 43, № 22. – P. 6911–6919. https://doi.org/10.1021/ie0498403El-Rub Z. A., Bramer E. A., Brem G. Review of Catalysts for Tar Elimination in Biomass Gasification. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2004, vol. 43, no. 22, pp. 6911–6919. https://doi.org/10.1021/ie0498403Катализ и энергетика. Опыт Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН / В. Н. Пармон // Энергет. вестн. – 2017. – № 22. – С. 56–73.Parmon V. N. Catalysis and energy. Experience of the Boreskov Institute of Catalysis SB RAS. Energeticheskii vestnik = Energy Bulletin, 2017, no. 22, pp. 56–73 (in Russian).Commercial Steam Reforming Catalysts To Improve Biomass Gasification with Steam−Oxygen Mixtures. 2. Catalytic Tar Removal / M. P. Azner [et al.] // Ind. Eng. Chem. Res. – 1998. – Vol. 37, № 7. – P. 2668–2680. https://doi.org/10.1021/ie9706727Azner, M. P., Caballero M. F., Gil J., Martin J. A. Commercial Steam Reforming Catalysts To Improve Biomass Gasification with Steam−Oxygen Mixtures. 2. Catalytic Tar Removal. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1998, vol. 37, no. 7, pp. 2668–2680. https://doi.org/10.1021/ie9706727Milne, T. A. Biomass Gasifier “Tars”: Their Nature, Formation and Conversion [Electronic resource] / T. A. Milne, N. Abatzoglou, R. J. Evans. – NREL Technical Report (NREL/TP-570-25357), November 1998. – Mode of access: https://www.nrel.gov/docs/fy99osti/25357.pdf – Date of access: 10.11.2020.Milne T. A., Abatzoglou N., Evans R. J. Biomass Gasifier “Tars”: Their Nature, Formation and Conversion. NREL Technical Report (NREL/TP-570-25357), November 1998. Available at: https://www.nrel.gov/docs/fy99osti/25357.pdf (accessed 10 November 2020).Catalytic Cracking of Tars Derived from Rice Hull Gasification over Goethite and Palygorskite / Haibo Liu [et al.] // Appl. Clay Sci. – 2012. – Vol. 70. – P. 51–57. https://doi.org/10.1016/j.clay.2012.09.006Haibo Liu, Tianhu Chen, Donguin Change, Chen Dong, He Hongping, Frost R. Catalytic Cracking of Tars Derived from Rice Hull Gasification over Goethite and Palygorskite. Applied Clay Science, 2012, vol. 70, pp. 51–57. https://doi.org/10.1016/j.clay.2012.09.006Исследование кинетики термического разложения пиролизной смолы / М. В. Малько [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2016. – № 4. – С. 84–90.Mal’ko M. V., Asadchii A. N., Vasilevich S. V., Degterov D. V. Investigation of the kinetics of thermal decomposition of pyrolysis resin Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2016, no. 4, pp. 84–90 (in Russian).Vyazovkin, S. Model-free and model-fitting approaches to kinetic analysis of isothermal and nonisothermal data / S. Vyazovkin, C. A. Wight // Thermochim. Acta. – 1999. – Vol. 340–341. – P. 53–68. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(99)00253-1Vyazovkin S., Wight C. A. Model-free and model-fitting approaches to kinetic analysis of isothermal and nonisothermal data. Thermochimica Acta, 1999, vol. 340–341, pp. 53–68. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(99)00253-1Yunging. Han. Theoretical Study of Thermal Analysis Kinetics: Thesis and Dissertation – Mechanical Engineering [Electronic resource]. – Lexington, Kentucky, 2014. – Mode of access: https://uknowledge.uky.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1036&content=me_etds – Date of access: 15.05.2019.Han Y. Theoretical Study of Thermal Analysis Kinetics: Thesis and Dissertation – Mechanical Engineering. Lexington. Kentucky, 2014. Available: https://core.ac.uk/download/pdf/232563059.pdf (accessed 15 May 2019).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.