Сотрудники Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН исследовали реакционные свойства твердого органического топлива, подвергнутого измельчению в мельницах. Специалисты пронаблюдали за термическим разложением и возгоранием угля, сосновых опилок и полученных из них композиционных топлив и выяснили, что при механическом измельчении топлива его реакционная способность увеличивается. Статья о работе была опубликована в международном журнале Sciencedirect.

В России основное топливо для розжига на электростанциях — мазут. На сегодняшний день его производят и экспортируют в больших количествах. Однако при розжиге этим видом топлива выбрасываются сернистые газы и оксид ванадия, что наносит большой урон окружающей среде. Исследователи из ИТ СО РАН предлагают использовать уголь, опилки и композиционные топлива на их основе. Это поможет сократить вредные выбросы, а также сэкономить за счет разницы в стоимости угля и мазута. В своих исследованиях теплофизики рассмотрели, какие процессы происходят при возгорании и термическом разложении такого топлива.

«Основное преимущество нашей работы — комплексность исследовательских методик и использование разнокалиберных установок (от лабораторных до крупного стенда с мощностью в пять мегаватт). Также стоит отметить сформировавшуюся за долгие годы команду специалистов из нескольких институтов. Всё это позволяет рассматривать задачу и с физической точки зрения, и с химической», — рассказывает младший научный сотрудник лаборатории экологических проблем теплоэнергетики ИТ СО РАН Артём Валерьевич Кузнецов. 

Результаты исследований активнее всего можно применить в энергетике. Так, развитие энергетических технологий делится на три основных направления. Первое — это разработка нового топочного оборудования и конфигурации котельных установок, второе — улучшение характеристик энергоносителя, внедрение альтернативных видов топлив, например композитного, третье направление — это использование искусственного интеллекта и нейросетей в топочном процессе.

В своей работе сотрудники Института теплофизики изучали технологию помола. Они исследовали, как будут происходить процессы горения, если использовать измельчённые уголь, опилки, а также их смесь. Для экспериментов применили вертикальную трубчатую печь (изолированную стальную трубу длиной 1 метр и внутренним диаметром 0,4 метра). Чтобы контролировать скорость горения топлива, специалисты меняли соотношение топливо — кислород, а также использовали дополнительные мощности в качестве подсветки с применением газа или мазута.

Электронно-микроскопические изображения композита при разном увеличении

На воспламенение и термическое разложение топлива влияют процессы активации, дезактивации и композитообразования. Во время активации топлива происходит увеличение реакционной поверхности помолотого сырья. Кроме того, в результате высокоэнергетических соударений внутри мельницы частицы рвутся, а на их поверхности образуются активные радикальные центры (неспаренные химические связи), в результате чего горение происходит при более низкой температуре.

В процессе деактивации те самые образованные свободные радикалы рекомбинируют, окисляясь на воздухе либо образуя прочные С-С-связи. Кроме того, в процессе помола из топлива частично выходят летучие вещества, которые могут пребывать либо в несвязанном состоянии, либо воспламеняться. В итоге в дезактивированном топливе гораздо меньше летучих радикалов, а свободные и вовсе отсутствуют. Это указывает на то, что сам процесс дезактивации проходит более эффективно, чем в случае с неизмельчённым топливом.

Для того чтобы уменьшить негативные последствия дезактивации топлива, можно использовать процедуру совместного измельчения и изучить происходящие изменения. При механической обработке горючих топлив, таких как уголь и биомасса, свойства компонентов изменяются и образуются композиционные частицы. Образец начинает «стареть», и его реакционная способность к реакциям окисления снижается. 

«Мы заметили, что при совместном механоактивационном помоле опилок и угля свойства компонентов складываются неаддитивно (то есть не могут быть предсказаны путем объединения свойств их составляющих), а полученные образцы обладают повышенной воспламеняемостью. В крупные частицы опилок внедряются и проникают внутрь более мелкие частицы угля. Можно провести аналогию булочки с изюмом: она вкуснее, чем изюм и булка по отдельности», — поделился Артём Кузнецов.

Эксперименты в вертикальном трубчатом реакторе показали интересные результаты. Выяснилось, что смеси, содержащие менее 70 % угля, воспламеняются так же, как и чистые опилки. Получается, что добавление более горючего компонента успешно срабатывает до определённого предела. Вероятно, когда концентрация опилок становится слишком низкой, они не способны вырабатывать достаточное количество газообразных продуктов для поддержания горения. 

«С научной точки зрения получены очень хорошие данные, и подтверждающие наши более ранние работы, и дающие задел к будущим исследованиям, например по газификации композитов или созданию композитов из низкореакционного топлива. С практической точки зрения мы показали, что сама идея и технология очень перспективна, и хотелось бы, чтобы она нашла своё применение в крупной энергетике», — отметил Артём Кузнецов.

Ещё одна немаловажная отрасль — утилизация отходов. Отходы нефтепереработки, целлюлозно-бумажного производства, отходы углеобогащения можно использовать в качестве альтернативных источников энергии. Помимо этого, у учёных есть идеи и наработки по исследованиям твердых бытовых отходов и осадков сточных вод. 

Сейчас основная проблема, которая стоит перед учёными, — это сложность проведения исследований, апробации и пусконаладочных работ непосредственно на объектах крупной энергетики: осуществить всё это можно только при поддержке больших энергетических компаний, а у них, как правило, свои разработки и цели. Соответственно, затрудняется и внедрение разработанных технологий в жизнь.

Текст: Ирина Баранова.
Источник: «Наука в Сибири».