Ученые ТПУ выяснили, какая форма частиц древесной биомассы лучше поддается воспламенению и горению. Эти данные помогут улучшить технологии сжигания альтернативного топлива, полученного из отходов деревообработки, а также разработать новые высокоэффективные камеры сгорания, сообщили РИА Новости в Министерстве науки и высшего образования России.
В мире сегодня большое внимание уделяется активному внедрению возобновляемых источников энергии в общий баланс тепло- и электрогенерации. Одним из наиболее перспективных энергоносителей считается древесная биомасса — фрагменты разных размеров и форм, которые представляют собой отходы лесопиления и деревообработки.
По мнению многих специалистов, древесная биомасса представляет собой так называемое углерод-нейтральное топливо, то есть при ее сжигании образуется CO2, который не нарушает общего баланса диоксида углерода в атмосфере. Также при сжигании древесины, как правило, образуется значительно меньше токсичных оксидов серы и азота, чем при горении угля.
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) изучили процессы зажигания частиц древесины разных форм и размеров. По их словам, это единственное в России подобное исследование в области возобновляемой энергетики.
"В качестве материала мы выбрали 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", — рассказала ассистент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ Жанна Косторева.
Исследования проводились на экспериментальном стенде. В специальной камере сгорания томские инженеры создавали условия, как в топочных устройствах котлов тепловых электростанций. Процессы нагрева и зажигания они регистрировали с помощью высокоскоростной видеокамеры и анализировали по полученным кадрам.
"Мы обнаружили любопытные зависимости. При увеличении характерного размера частиц древесной биомассы, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда, сначала время задержки зажигания растет, но далее при переходе определенного порогового значения характерного размера частицы, начинает уменьшаться. Это нетривиальный результат с точки зрения классической теории процессов зажигания конденсированных сред, и он установлен впервые. Нам предстоит определить причины такого явления", — сообщил руководитель проекта, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ Семен Сыродой.
Также авторы выяснили, что увеличение размера кубических частиц древесины не влияет на динамику сгорания. Это позволит не дробить биомассу до ультрамелкого состояния и сократить энергетические и экономические затраты на механическую подготовку топлива.
Кроме того, ученым удалось открыть, что частицы в форме пластины воспламеняются значительно быстрее, чем частицы той же массы в форме куба и прямоугольного параллелепипеда.
В будущем исследователи планируют разработать полностью автономную и замкнутую математическую модель процесса воспламенения с учетом реальной конфигурации топливных частиц. Они также проанализируют 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.
Также ученые планируют изучить, как разные породы деревьев — источники биомассы — влияют на характеристики и условия зажигания частиц разного размера и формы. Это позволит расширить сырьевую базу тепловых электростанций, сжигающих биомассу в разных регионах.
Исследование прошло при поддержке Российского научного фонда в рамках гранта 18-79-10015-П. Результаты опубликованы в журнале Renewable Energy.