Сотрудники Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН и Института химии твердого 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.
Композит увеличивает степень выгорания используемых топлив
Некоторые типы углей обладают низкой реакционной способностью — они трудновоспламеняемы, что зачастую делает их невостребованными. Сибирские ученые 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.
Ученые 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 сырье подвергалось механоактивационному измельчению совместно, уже в перемешанном виде. Получившийся композит продемонстрировал синергетическое поведение, что означает 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 ученых, 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 серьезной 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.
Еще 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). Ученые 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.
Диана Хомякова
Фото автора
