ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

В данной работе проведено изучение твердых топлив на основе растительной биомассы и ее смесей с полимерными добавками в качестве альтернативы ископаемым углям. С этой целью была определена высшая (HHVi) и низшая (LHVi) энергии сгорания отдельных компонентов растительной биомассы (лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза, экстрактивные вещества и др.), а также некоторых синтетических полимеров, входящих в состав пластиков. Эксперименты проводились с использованием кислородной калориметрической бомбы, а расчеты выполнялись с помощью уравнений: HHVi (kJ/g) = Eo M^-1 (x + 0,295y - 0,42z) и LHVi (kJ/g) = Eo M^-1 (x + 0,242y - 0,42z), где Eo = 413 kJ/mol; x, y и z - число атомов C, H и O в молекуле органического вещества или в повторяющемся звене полимера, c молекулярной массой M. Используя результаты, полученные для отдельных компонентов, была определена теплотворная способность различных биомасс и их смесей с полимерами в соответствии с правилом аддитивности: HHV = Σ(wi HHVi) и LHV = Σ(wi LVHi), где wi - массовая доля компонента в топливе. Результаты показали, что найденные значения теплотворной способности близки к экспериментальным, что свидетельствует об адекватности правила аддитивности для оценки удельной тепловой энергии сгорания твердого топлива на основе биомассы. Было также обнаружено, что топливные гранулы, состоящие из растительной биомассы и добавок пластиков, являются наиболее перспективным твердым топливом, поскольку они обеспечивают более высокую теплотворную способность и повышенную плотность тепловой энергии, чем топливо, состоящее лишь из биомассы.

растительная биомасса, пластик, топливные гранулы, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, экстрактивные вещества, теплотворная способность, калориметрия, расчеты

1. Ioelovich M. Plant Biomass as a Renewable Source of Biofuels and Biochemicals. Saarbrücken: LAP, 2013, 52 p.

2. Ioelovich M. Recent findings and the energetic potential of plant biomass as a renewable source of biofuels - a reviewю Bioresources. 2015, vol. 10, no. 1, pp.1879-1914.

3. Saidur R., Abdelaziz E.A., Demirbas A., Hossain M.S., Mekhilef S. A review on biomass as a fuel for boilers. Renew. Sust. Energy. Rev. 2011, vol. 15, pp. 2262-2289.

4. Parikka M. Global biomass fuel resources. Biomass and Bioenergy. 2004, vol. 27, pp. 613-620.

5. Raven P.H., Evert R.F., Eichhorn S.E. Biology of Plants (7th ed.). New York: W.H. Freeman and Company Publ., 2005, 686 p.

6. Blankenship R.E. Molecular Mechanisms of Photosynthesis (2nd ed.). Oxford: John Wiley & Sons Publ., 2014, 312 p.

7. McKendry P. Energy production from biomass: overview of biomass. Bioresour. Technol. 2002, vol. 83, pp. 37-46.

8. Ioelovich M. Problems of solid biofuels made of plant biomass. Advance in Energy. 2014, vol. 2, no. 1, pp. 15-20.

9. Barnes D.K.A., Galgani F., Thompson R.C., Barlaz M. Accumulation and fragmentation of plastic debris in global environments. Philos. Trans. Royal Soc. B: Biological Sci. 2009, vol. 364, pp. 1985-1998.

10. Uryash V.F., Larina V.N., Kokurina N.Y., Novoselova N.V. The thermochemical characteristics of cellulose and its mixtures with water. Russ. J. Phys. Chem. 2010, vol. 84, pp. 915-921.

11. Günther B., Gebauer K., Barkowski R., Rosenthal M., Bues C.-T. Calorific value of selected wood species and wood products. Europ. J. Wood and Wood Prod. 2012, vol. 70, no. 5, pp. 755-757.

12. Shen I., Zhu S., Liu X, Zhang H., Tan J. Measurement of heating value of rice husk by using oxygen bomb calorimeter with benzoic acid as combustion adjuvant. Energy Procedia. 2012, vol. 17, pp. 208-213.

13. Walters R.N., Lyon R.E., Hackett S.M. Heats of combustion of high-temperature polymers. Fire and Mater. 2000, vol. 24, pp. 1-13.

14. Yin C-Y. Prediction of higher heating values of biomass from proximate and ultimate analyses. Fuel. 2011, vol. 90, pp. 1128-1132.

15. Vargas-Moreno J.M., Callejón-Ferre A.J., Pérez-Alonso J., Velázquez-Martí B. A review of the mathematical models for predicting the heating value of biomass materials. Renew. Sustain. Energy Reviews. 2012, vol. 16, pp. 3065-3083.

16. Ioelovich M. Comparison of methods for calculation of combustion heat of biopolymers. American J. Appl. Sci. Eng. Tech. 2016, vol. 1, no. 2, pp. 63-67.

17. White R.H. Effect of lignin content and extractives on the higher heating value of wood. Wood and Fiber Sci. 1987, vol. 19, pp. 446-452.

18. Kienzle E., Schrag I., Butterwick R., Opitz B. Calculation of gross energy in pet foods: new data on heat combustion and fibre analysis in a selection of foods for dogs and cats. J. Anim. Physiol. Anim. Nutr. 2001, vol. 85, pp. 148-157.

19. Goldberg R.N., Schliesser J., Mittal A. [et al.] A thermodynamic investigation of the cellulose allomorphs: cellulose(am), cellulose Iβ(cr), cellulose II(cr), and cellulose III(cr). J. Chem. Thermodyn. 2015, vol. 81, pp. 184-226.

20. Ioelovich M. Green chemistry and technology of plant biomass. SITA. 2018, vol. 20, no. 1, pp. 3-12.

21. Willfor S., Sjoholm R., Laine C., et al. Characterization of water-soluble galactoglucomannans from Norway spruce wood and thermomechanical pulp. Carbohydrate Polym. 2003, vol. 52, pp. 175-187.

22. Sluiter J.B., Ruiz R.O., Scarlata C.J., Sluiter A.D., Templeton D.W. Compositional analysis of lingocellulosic feedstocks. Review and description of methods. J Agric. Food Chem. 2010, vol. 58, no. 16, pp. 9043-9053.

23. Ioelovich M., Leykin A. Nano-cellulose and its application. SITA. 2004, vol. 6, no. 3, pp. 17-24.

24. Jayme G., Knolle H. Introduction into empirical X-ray determination of crystallinity of cellulose materials. Das Papier. 1964, vol. 18, pp. 249-255.

25. Tsiamis D.A., Castaldi M.J. Determining Accurate Heating Values of Non-Recycled Plastics. New York: Academy Press, 2016, 27 p.

26. Ioelovich M. Calculation of heating value of organic substances using oxygen consumption. J. Basic Appl. Res. Int. 2017, vol. 21, no. 4, pp. 180-185.