Ученые выяснили, как форма частиц древесной биомассы — куб, параллелепипед или пластина — влияет на процесс их воспламенения и горения. Это единственное в России подобное исследование в области возобновляемой энергетики. Полученные данные в перспективе помогут создать энергоэффективную технологию сжигания альтернативного топлива, а также разрабатывать камеры сгорания котлов с более продуктивными показателями. Над исследованием работали сотрудники подведомственного Минобрнауки России Томского политехнического университета (ТПУ).
Активное внедрение возобновляемых источников энергии в общий баланс тепло- и электрогенерации — актуальный процесс, которому уделяют большое внимание во всем мире. При этом в числе наиболее перспективных энергоносителей рассматривается древесная биомасса. Она образуется при лесопилении и деревообработке и представляет собой фрагменты разных размеров и форм. Именно эти две характеристики древесной биомассы влияют на условия ее воспламенения.
Ученые ТПУ изучили процессы зажигания частиц древесины разных форм и размеров.
«В качестве материала был выбран распространенный в Сибирском регионе кедр. Это дерево отвечает главным технологическим требованиям биотоплива — у него высокая теплота сгорания и большое содержание горючих летучих газов, что улучшает процесс зажигания. Для эксперимента мы использовали частицы одинакового объема, но трех разных конфигураций — прямоугольный параллелепипед, куб и пластина. Это самые типичные характерные формы фрагментов биомассы», — рассказывает ассистент Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ, кандидат технических наук Жанна Косторева.
Комплекс исследований проводился на экспериментальном стенде. В специальной камере сгорания томские инженеры создавали условия, соответствующие топочным устройствам котлов тепловых электростанций. Процессы нагрева и зажигания они регистрировали с помощью высокоскоростной видеокамеры. После этого ученые анализировали их по полученным кадрам.
«В ходе экспериментов были обнаружены любопытные зависимости. При увеличении характерного размера частиц древесной биомассы, выполненных в виде прямоугольного параллелепипеда, сначала времена задержки зажигания растут (что является очевидным следствием), но далее при переходе определенного порогового значения характерного размера частицы времена начинают уменьшаться. Это нетривиальные результаты с точки зрения классической теории процессов зажигания конденсированных сред, и он установлен впервые. Нам предстоит определить причины такого явления», — комментирует руководитель проекта, доцент Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ, доктор технических наук Семен Сыродой.
Также авторы выяснили, что увеличение размера кубических частиц древесины не влияет на динамику сгорания. Это говорит об отсутствии необходимости дробить биомассу до ультрамелкого состояния, что дает меньшие энергетические и экономические затраты на механическую подготовку топлива.
Кроме того, удалось открыть, что при равных массах частицы в форме пластины воспламеняются значительно быстрее, чем частицы, выполненные в форме куба и прямоугольного параллелепипеда.
В дальнейшем политехники хотят разработать полностью автономную и замкнутую математическую модель процесса воспламенения с учетом реальной конфигурации топливных частиц. В планах также проанализировать влияние влажности древесины на характеристики зажигания и горения.
Еще один этап исследования будет посвящен определению влияния формы частиц на интенсивность образования антропогенных продуктов горения — оксиды серы и азота, а также диоксид углерода.
Исследование прошло при поддержке Российского научного фонда в рамках гранта 18-79-10015-П, его результаты опубликованы в одном из международных научных изданий.