Новый подход к пиролизу низкосортных углей (и заодно ещё один вариант утилизации отходов) предложили ученые. В ходе экспериментов они выяснили, что добавки в уголь в виде сосновых опилок или отработанного моторного масла ускоряют процесс в несколько раз и повышает эффективность топлива на 4–10%.
Учёные лаборатории тепломассопереноса Томского политеха вместе с международными коллегами проанализировали стадии термического разложения бурого угля, трёх марок каменного угля, а также их смесей с сосновыми опилками и отработанным моторным маслом. Эксперименты проходили в токе азота при температуре до 1100 градусов Цельсия. Исследователи меняли размер частиц от 100 до 1000 микрон и скорость нагрева от 10 до 30 градусов в минуту.
Как рассказали в пресс-службе вуза, многокритериальный анализ показал, что наиболее эффективной смесью оказалось топливо из 50% бурого угля, 40% воды и 10% отработанного моторного масла. Его интегральный показатель эффективности на 10% выше, чем у чистого бурого угля. «Сухая» смесь из 90% бурого угля и 10% опилок даёт прирост в 4%.
«При этом неожиданный эффект показали разные размеры частиц угля. Так, наименьшая энергия активации (порог запуска реакции) была зафиксирована нами для крупных частиц бурого угля, а не для мелких фракций. Мы связываем это с улучшенным конвективным теплообменом между частицами», — рассказал один из авторов работы, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Вадим Дорохов.
В ходе исследований ученые пришли к выводу, что высокореакционные добавки — опилки и отработанное масло — многократно увеличивают скорость термического разложения составного топлива по сравнению с чистым углём. Они также снижают температуру начала пиролиза до 26%. Взаимодействие компонентов на стадии испарения влаги дало синергетический эффект почти в 30%, а всего процесса термического разложения — до 7%.
По словам Вадима Дорохова, грамотно подобранные смеси на основе низкосортного угля и отходов могут быть существенно эффективнее при пиролизе, чем исходный уголь. Твёрдый остаток после разложения таких смесей имеет теплоту сгорания на 26-30% выше, чем у чистого бурого угля.
Ученые на основе полученных данных вывели эмпирические формулы процесса пиролиза смесевых угольных топлив. Они учитывают среднюю энергию активации, содержание летучих веществ, влажность, зольность и другие показатели. Формулы позволяют прогнозировать поведение новых угольных смесей при термической конверсии с погрешностью не более 30%. Это значит, что для каждого нового состава не потребуются дорогостоящее оборудование и длительные эксперименты.
В исследовании приняли участие учёные лаборатории тепломассопереноса Томского политеха, Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН и Ведущей лаборатории в области исследований и разработок по термогидродинамике Министерства образования Китая. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Powder Technology (Q1, IF: 4,6).
Почему это важно?
Низкосортные угли, в частности бурый уголь, составляют до 40-45% мировых запасов, но их энергетическая ценность остаётся невысокой. Один из самых эффективных способов улучшить качество такого топлива — пиролиз, то есть термохимическое разложение в инертной среде при нагревании. Однако поведение сложных смесей, например угля с добавками отходов деревообработки, до сих пор изучили недостаточно.
Lx: 3342