Пиролиз древесины: теоретический и практический аспекты

Минск
«Беларуская навука»
2023

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

Институт энергетики

ПИРОЛИЗ ДРЕВЕСИНЫ:

теоретический и практический аспекты

М. В. Малько, С. В. Василевич, К. В. Добрего, Д. В. Дегтеров

ISBN 978-985-08-3028-9

УДК 662.711+662.715

Пиролиз древесины: теоретический и практический аспекты / М. В. Малько [и др.] ; Нац. акад. наук Беларуси, Ин-т энергетики. – Минск : Беларуская 
навука, 2023. – 117 с. – ISBN 978-985-08-3028-9.

В монографии представлено описание способов термохимической конверсии древесной биомассы. Приведены экспериментальные исследования кинетики пиролиза образцов 
древесной биомассы в изотермических условиях при температурах 673, 773 и 873 К. Подтвержден факт влияния вторичных реакций на массовый выход твердых продуктов пиролиза. Разработана модель термохимической конверсии древесной биомассы под давлением. Приведены описание и принцип работы опытного образца пиролизного оборудования 
для получения жидких продуктов из растительной биомассы. Представлены разработанные  
и изготовленные установки термохимической конверсии древесины с получением жидких 
продуктов пиролиза.
Может быть полезна научным сотрудникам и инженерам-технологам, работа ющим  
в сфере термохимических производств.

Табл. 27. Ил. 81. Библиогр.: 111 назв.

Рекомендовано к изданию Ученым советом  
Республиканского научно-производственного унитарного предприятия  
«Институт энергетики НАН Беларуси» (протокол № 8 от 28.06.2022 г.)

Р е ц е н з е н т ы:
доктор физико-математических наук, профессор Н. Н. Гринчик, 
доктор технических наук Г. И. Журавский, 
доктор химических наук, профессор В. В. Богданова

© Институт энергетики НАН Беларуси, 2023
© Оформление. РУП «Издательский дом

«Беларуская навука», 2023

ВВЕДЕНИЕ

Существенное колебание цен на нефтяные топлива и природный газ во 
всем мире стимулирует проведение исследований возможных новых источников энергии. Одним из таких источников является биомасса – растительный материал, древесная щепа, опилки и др. За счет энергии и топлив, получаемых из биомассы, нельзя полностью удовлетворить энергетические 
потребности промышленно развитых стран, однако даже та небольшая доля 
энергии (до 10 %), которая может быть использована в результате биомассы, 
заслуживает внимания. Особенно важное значение имеет тот факт, что биомасса, в отличие от ископаемых источников энергии – нефти, природного 
газа и угля, представляет собой возобновляющийся источник энергии и при 
правильной организации ее воспроизводства и сбора доля энергии и топлив, 
получаемых из биомассы, может возрасти. Ресурсы биомассы в различных 
ее видах имеются практически во всех регионах и почти в каж дом из них может быть налажено производство энергии и топлив из биомассы. На сегодняшний день в промышленно развитых странах интенсивно совершенствуются такие направления переработки биомассы, как пиролиз, газификация, 
ожижение [1]. Теоретические и прикладные исследования пиролиза биомассы успешно развиваются на протяжении последних десятилетий в Великобритании [2], США [3], Финляндии, Бразилии [4] и других странах мира. По 
мнению экспертов Международного энергетического агентства IEA, пиролиз – наиболее универсальная и эффективная технология энергетического 
использования биомассы. Такая технология позволяет получать качественное, экологически безопасное твердое, жидкое и газообразное топливо из 
практически любого сырья, содержащего органические компоненты. Данное направление исследований и разработок представляет значительный 
интерес для Беларуси [5–7]. Положительный опыт ряда стран, прежде всего 
скандинавских, а также данные об обеспеченности республики биотопливными ресурсами говорит о хороших перспективах развития биоэнергетики 
в Беларуси. Использование в количестве, не превышающем ее ежегодный 
прирост, нейтрально в отношении выбросов диоксида углерода в атмосфе

ру, что соответствует Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата 1992 г. В целом по республике годовой объем 
централизованных заготовок дров и отходов лесопиления составляет около 1,78 млн т у. т. Предельные возможности рес публики по использованию 
древесных ресурсов можно определить исходя из естественного годового 
прироста древесины, который оценивается приближенно в 25 млн м3 (включая древесину загрязненных территорий) или 6,6 млн т у. т. в год. 
Замещение ископаемого топлива древесным в котельных и других теплоэнергетических установках обеспечит экономию импортируемого топлива 
за счет использования более дешевого местного. Повысить эффективность 
использования биотоплива возможно при запуске новых теплоэнергетических установок, внедрении современных конструкций котлоагрегатов, что 
привлекает внимание инвесторов за счет короткого времени окупаемости 
и высокой рентабельности. Учитывая, что основу существующего парка  
котельной техники составляют газомазутные парогенераторы, наиболее 
перспективным является не прямое сжигание древесины, а ее пиролиз с получением твердых, газообразных и жидких видов топлива. 
В качестве биотоплива могут быть использованы: древесная биомасса; отходы древесины, образующиеся при ее рубке и обработке; биомасса 
быстро растущих кустарниковых и травянистых растений; лигнин; горючая 
часть коммунальных отходов; отходы, получаемые при мелиоративных работах, расчистке территорий под новое строительство; отходы растениеводства; горючие отходы перерабатывающей и пищевой промышленности, 
животноводства. 
Известно, что древесная биомасса как топливо характеризуется относительно низким массовым содержанием водорода (~6 %), высоким содержанием кислорода (~40 %) и относительно низкой теплотой сгорания. Кроме 
того, при термохимической конверсии биомассы в состав газообразных продуктов переходят смолы – высокомолекулярные органические соединения, 
конденсирующиеся при температуре 60–80 %, щелочные металлы, в первую 
очередь калий, а также хлор и соединения серы, которые служат причиной 
выхода из строя систем сероочистки и керамических фильтров, вызывают 
отложения на металлических и торкретированных поверхностях газоходов и их коррозию. Для обеспечения высокой термической, экономической 
и экологической эффективности и надежности конверсии биомассы необходимо решение проблем, связанных с указанными недостатками сырья.
Данная монография посвящена комплексному исследованию термохимической конверсии древесной биомассы с выявлением новых закономерностей и особенностей процесса получения соответствующих твердых 
и жидких продуктов. Изучалась прежде всего биомасса лиственных пород 

деревьев (береза и дуб). Такой выбор был обусловлен тем, что несмот ря на 
обширный видовой состав древесной биомассы в Республике Беларусь, основным сырьем для получения продуктов пиролиза являются именно березовая и дубовая древесина, поскольку при использовании хвойных пород 
процесс пиролиза сопровождается большими выбросами летучих компонентов, что снижает массовый выход и качество целевого продукта. К настоящему времени в различных странах мира ведутся исследования физических и химических свойств газовой смеси, образующейся в процессе термохимической конверсии биомассы. 
В работе рассмотрено влияние различных параметров на процесс пиролиза, состав и количественный выход получаемых продуктов. Особое 
внимание уделено изучению влияния избыточного давления, поскольку 
это удобный для контроля и управления параметр, влияющий на смещение 
реак ции пиролиза, на состав получаемых продуктов, на температуру процесса и другие показатели. В монографии показан процесс пиролиза при 
избыточном давлении, который достаточно просто реализуется, что может 
быть решающим фактором при практическом применении результатов исследований. Еще один вопрос, остающийся дискуссионным на сегодняшний день, – это оценка кинетических параметров брутто-реакции термического разложения древесины и продуктов ее конверсии. В литературе можно встретить существенно отличающиеся оценки ключевых кинетических 
параметров – эффективной энергии активации и предэкспоненциального 
множителя констант скоростей реакций. Расхождения указанных кинетических параметров связаны в том числе и с выбором эмпирического уравнения реак ции термического разложения исследуемых образцов. Необ ходимо 
отметить, что существует большое число методов обработки кине тических 
данных и их использование ожидаемо приводит к получению несовпадающих оценок кинетических параметров. Так, для эффективной энергии 
активации различие может достигать 30 %. Несмотря на широкий фронт 
исследований, посвященных различным аспектам процесса термического 
разложения растительной биомассы, можно заключить, что они мало продвигают инженерные методики расчета, позиционируя в качестве перспективной задачи учет именно технологических факторов.
Результаты исследований использованы при проектировании пиролизного оборудования, описание и принцип работы которого приведены в монографии. При разработке этого оборудования особое внимание уделялось 
энергоэффективности процесса (в частности, использованию побочных 
продуктов пиролиза, что исключает необходимость привлечения дополнительных энергоресурсов для поддержания теплового режима работы 
оборудования) и снижению выбросов летучих углеводородов в атмосфе

ру без применения дорогостоящих фильтров. Этим данное оборудование 
выгодно отличается от известных промышленных образцов пиролизных 
установок.
Таким образом, описанные результаты комплексных исследований термохимической конверсии древесины направлены на совершенствование 
процессов и аппаратов термохимической переработки растительной биомассы, что является важной научной и технической задачей для Республики 
Беларусь.
Монография рекомендована Ученым советом Республиканского научно-производственного унитарного предприятия «Институт энергетики 
НАН Беларуси» (протокол № 8 от 28.06.2023 г.) и Научно-техническим советом Белорусского национального технического университета (протокол 
№ 12 от 23.12.2022 г.).

Глава 1 

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  
РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЫ

1.1. Способы термохимической конверсии биомассы

Существуют различные способы использования биомассы в качестве 
источника энергии. Это, во-первых, традиционное сжигание при получении 
электрической и тепловой энергии (дрова, щепа, пеллеты, твердые бытовые 
отходы растительного происхождения, горючие сланцы и др.) [8]; во-вторых, 
анаэробное сбраживание сельскохозяйственных растений (ку куруза и др.), 
отходов сельскохозяйственного производства, а также отходов животноводства и птицеводства; в-третьих, получение моторного топлива (биодизель) 
на основе прессования семян сельскохозяйственных растений (рапс). Указанные технологии давно отработаны и получили широкое распространение. 
Переработка сухой биомассы (влажностью до 15 %) возможна с использованием термохимических технологий (газификация, пиролиз) [9–11]. 
Такие процессы обладают высокими скоростями конверсии, низкой чувствительностью к составу исходного сырья, но требуют высоких температур 
и характеризуются низкой селективностью [12].
Энергетические затраты на обеспечение термохимического процесса 
обычно не превышают 5 % от теплоты сгорания получаемых энергетических 
продуктов. Такой высокий уровень энергетической эффективности производственного цикла не может обеспечить биогазовая технология, в которой 
энергетические затраты на поддержание биохимического процесса могут 
достигать 70 % от теплоты сгорания произведенного пиролизного газа [13].
Среди современных технологий энергетического использования растительной биомассы наиболее универсальной, эффективной и дешевой, по 
мнению экспертов Международного энергетического агентства IEA, является термохимическая конверсия методом пиролиза [14]. На рис. 1.1 представлена схема основных способов термохимической конверсии биомассы. 
Как следует из рис. 1.1, топливный газ из отходов древесной биомассы можно получить либо путем пиролиза, либо газификации.
Пиролиз представляет собой процесс термохимического разложения органических соединений, который происходит при полном отсутствии или 

существенном ограничении окисляющего агента. В последнем случае может идти частичная газификация [12]. Ограничение доступа окисляющего 
агента приводит к тому, что температура протекания пиролиза ниже, чем 
при других способах термохимической конверсии. 
В качестве исходного сырья для пиролиза могут выступать: биомасса, 
твердые горючие ископаемые, промышленные и бытовые отходы. 
В результате пиролиза образуется горючий газ, высокоэнергетические 
жидкие продукты и древесный уголь. Количество продуктов термохимических преобразований зависит в первую очередь от температуры и времени 
процесса, скорости нагрева и параметров газовой среды. Кроме того, на состав и свойства продуктов пиролиза влияют порода и качество древесины, 
размеры частиц сырья и его начальная влажность, скорость циркуляции газового потока через слой древесины и другие факторы [12].

1.2. Технологии пиролиза растительной биомассы

Типичный процесс пиролиза проводится по схеме, представленной на 
рис.1.2. Исходная биомасса подвергается измельчению до необходимых размеров и сушке, а в случае получения специфических химических веществ 
либо активированного древесного угля – химической обработке. Нагрев загруженной в реактор биомассы на начальном этапе осуществляют путем ее 
частичного сжигания. По мере протекания процесса пиролиза происходит 
очистка газопылевой смеси от остатков древесного угля и золы, а по окончании процесса – выгрузка древесного угля. С целью конденсации био нефти 

Рис. 1.1. Основные способы термохимической конверсии биомассы

Рис. 1.2. Схема технологий пиролиза биомассы

проводится быстрое охлаждение газов. Пирогаз, прошедший дополнительную очистку, может быть использован для получения теплоты, необходимой 
для сушки исходной биомассы и поддержания процесса пиролиза, либо компримирован для поставки потребителям. При этом часть пирогаза возвращают в реактор с целью регуляции параметров конверсии.
Технологии пиролиза биомассы можно разделить по таким параметрам, 
как скорость нагрева (ультрапиролиз, быстрый, промежуточный, медленный пиролиз, карбонизация); среда, в которой проводится пиролиз (вакуум

ный, гидропиролиз, метанопиролиз) [15]; температура (высоко-, средне-, 
низкотемпературный); давление (вакуумный, при атмосферном давлении, 
умеренном, при высоком давлении). 
Медленный пиролиз (температура нагрева около 400 °C, очень длительное время пребывания биомассы в реакционной зоне) – термическая деструкция исходного вещества, без доступа кислорода, где скорость нагрева 
исходного вещества составляет градусы в минуту, в час. Медленный пиролиз – условно подобен процессу доведения воды до состояния закипания. 
Быстрый пиролиз (температура нагрева, около 500 °C – низкотемпературный, около 1000 °C – высокотемпературный, короткое время пребывания 
паров ~ 1 с) – термическая деструкция исходного вещества, без доступа кислорода, где скорость нагрева исходного вещества составляет сотни, тысячи 
градусов в секунду. Быстрый пиролиз – условно подобен процессу попадания капли воды в раскаленное масло. 
Таким образом, при быстром пиролизе происходит разрушение на молекулярном уровне измельченных до миллиметров и предварительно подсушенных частиц любых органических веществ. Подвод тепловой энергии 
к исходному веществу производится с высокой скоростью и без доступа 
кислорода. При этом осуществляется термолиз биомассы и сложные химические превращения продуктов термолиза. Однако каналы химических 
реак ций в условиях высоких градиентов температуры значительно отличаются от тех, которые протекают в более равновесных условиях.
Продукты, образующиеся в процессе быстрого пиролиза, можно условно разделить на следующие группы:
синтетический газ – 30–90 % от количества исходного вещества. В его 
состав входит смесь газов, таких как метан, водород, кислород, азот, монооксид углерода, небольшое количество диоксида углерода, (теплота сгорания составляет 30–65 МДж/м3);
высокоуглеродистый материал – 10–20 % от количества исходного вещества (теплота сгорания – 35–45 МДж/кг);
синтетическая нефть – 10–70 % от количества исходного вещества (теплота сгорания – 30–50 МДж/кг, у природной нефти – 45 МДж/кг);
тепловая энергия – теплота продуктов пиролиза, выделяющаяся в ходе 
химических реакций. Количество выделяемой тепловой энергии зависит от 
вида исходного вещества.
Продукты переработки углеродосодержащих исходных веществ в процессе медленного пиролиза:
пиролизная жидкость – 50–60 % от количества исходного вещества 
(средняя теплота сгорания составляет 18 МДж/кг);
твердое углистое вещество – 10–25 % от количества исходного вещества – полукокс (средняя теплота сгорания – 20 МДж/кг, у кокса – 30 МДж/кг);