Сотрудники Института теплофизики им.
С.С. Кутателадзе СО РАН и Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН создали композитное порошковое топливо из углей и
отходов деревообрабатывающих производств. Оно обладает повышенной
воспламеняемостью, увеличивает степень выгорания используемых топлив и
обеспечивает стабильное горение даже для низкореакционных углей (антрацита).
Полученный композит можно использовать на современном топочном оборудовании.
Некоторые типы углей обладают низкой реакционной
способностью — они трудновоспламеняемы, что зачастую делает их
невостребованными. Сибирские учёные придумали способ, позволяющий увеличить
эффективность использования этих углей путем добавления к ним отходов
деревообрабатывающих производств.
Для исследования взяли угли различной стадии метаморфизма,
а также некоторые из продуктов углеобогащения компании «Сибантрацит», которые
обладают низкой реакционной способностью. В качестве древесной добавки был
выбран сосновый опил — этот материал имеет высокую теплоту сгорания, и уже
известно, что его смесь с низкореакционными углями повышает степень полезного
использования последних. Однако простое смешение компонентов не слишком
эффективно: на начальном этапе опилки быстро выгорают, лишь незначительно
повышая выгорание угля. К тому же такая смесь не подходит для применения в
обычном энергетическом оборудовании.
Композит увеличивает степень выгорания используемых
топлив
Специалисты ИТ СО РАН и ИХТТМ СО РАН предложили
новый метод использования подготовки двухкомпонентного топлива. Если раньше
образцы угля и опилок сначала по отдельности высушивали и измельчали, и только
потом смешивали, то при приготовлении композитного топлива высушенное сырьё
подвергалось механоактивационному измельчению совместно, уже в перемешанном
виде. Получившийся композит продемонстрировал синергетическое поведение, то
есть превосходство его характеристик над простой механической смесью тех же компонентов.
Это подтвердили эксперименты по термогравиметрическому анализу, воспламенению в
вертикальной трубчатой печи и факельному сжиганию.
«Основные причины эффективности
композита в том, что при совместном механохимическом активировании в
мельнице-активаторе происходит формирование общей поверхности частиц угля и
опилок, из-за чего на поверхности частиц возникают парамагнитные центры
(свободные радикалы), которые ускоряют реакции воспламенения. Также в
композитах происходит тесный контакт между компонентами: частицы угля прилипают
к более крупным частицам опилок, что обеспечивает лучшую передачу тепла и
активных центров и приводит к совмещению стадий выделения летучих веществ из
биомассы и окисления угля. В результате время задержки воспламенения снижается
на 20–30 % по сравнению со смесью и происходит более стабильное и полное
сгорание с более высокой температурой в факеле. В случае газификации композит
обеспечивает равномерное выделение синтез-газа (H₂, CO). Таким образом,
ключевой фактор — не просто смешивание, а совместная механическая активация,
приводящая к образованию реакционноспособных структур с общей поверхностью»,
— рассказал младший научный сотрудник ИТ СО РАН Артём Валерьевич Кузнецов.
По словам авторов, композит предназначен в первую
очередь для сжигания в угольных энергоустановках по технологии совместного
сжигания угля и биомассы. На тепловых электростанциях (ТЭС) и в городских
котельных, а также в установках для частного сектора существуют угольные котлы,
где уже используется пылеугольное топливо. Добавление 5—10 % биомассы к
угольному топливу обычно не требует серьёзной модификации энергетического
оборудования, что делает этот метод экологически и экономически привлекательным
для промышленных предприятий. Также композит может применяться в газогенераторах
для переработки отходов в синтез-газ.
«При увеличении доли биомассы (например,
до 30—50 %) могут потребоваться настройка системы подачи и корректировка
режимов дутья для стабилизации факела, также возможна установка дополнительных
горелок для поджига. Для использования в газогенераторах будет необходима
адаптация системы загрузки и управления температурным режимом. Важно, что
технология не требует капитальной реконструкции и может быть внедрена поэтапно»,
— отметил Артём Кузнецов.
Ещё одно преимущество разработанной технологии в
том, что она позволяет эффективно утилизировать сельскохозяйственные отходы. В
качестве компонентов топлива возможно использовать отходы как
деревообрабатывающих предприятий, так и нефтепереработки, целлюлозно-бумажного
производства, углеобогащения.
Сейчас разработка находится на стадии
экспериментальной апробации и полупромышленных испытаний. Уже проведены
лабораторные исследования (термогравиметрический анализ, воспламенение в
трубчатой печи), испытания на полупромышленной горелке, эксперименты по
плазменной газификации с анализом синтез-газа. Имеются паттерны воспламенения и
горения для разных соотношений компонентов (30/70, 50/50, 70/30 угля/опилок).
Исследователи подтвердили стабильность горения композита даже для низкореакционных
углей (антрацита).
«Технология близка к пилотному
внедрению, но требует масштабирования на реальных котлах, в том числе в
вопросах подготовки топлива, и долгосрочных испытаний на износ оборудования.
Кроме того, необходимо разработать стандарты подготовки композитного топлива»,
— заключил Артём Кузнецов.
Материал подготовлен при поддержке гранта
Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Текст: Диана Хомякова.
Источник: «Наука в Сибири».