Ученые Уральского федерального (УрФУ, Екатеринбург) и Томского политехнического университетов придумали, как снизить выбросы вредных веществ при сжигании отходов угольного производства.
Физики предложили добавлять в него опил. Статья с описанием технологии опубликована в журнале Science of The Total Environment.
Отходы обогащения угля — влажный высокозольный фильтр-кек, в огромных объемах накопленный на территории Кузнецкого угольного бассейна (Кемеровская область). Представляет собой вязкую липкую массу, внешне похожую на черную грязь. По химическому составу фильтр-кек близок к низкосортным каменным углям. Из-за высокой влажности и зольности его сжигание в топках энергетических котлов значительно затруднено. С учетом проблем, возникающих при транспортировке (в летний период — слипание, зимой — смерзание), — фактически невозможно.
Решить эту проблему можно, разбавляя фильтр-кек водой и подавая полученную водоугольную суспензию в топку энергетического котла с помощью насоса. Для облегчения воспламенения водоугольной суспензии в Томске предложили добавлять в нее отходы деревообрабатывающего производства (опил), также широко представленного на территории Западной Сибири.
Ученые исследовали процесс воспламенения и сжигания водоугольной суспензии на основе фильтр-кека и опилок в диапазоне температур от 300 ℃ до 1000 ℃, то есть от начала выделения под термическим воздействием летучих углеродсодержащих веществ до предельных возможностей лабораторных муфельных электропечей. Для этого использовали две технологии сжигания — когда образец подавался в уже разогретую печь (700–1000 ℃) — что моделирует процесс в топке энергетического котла, и когда образец нагревался вместе с печью (300–600 ℃) — что позволяет раскрыть механизм происходящих физико-химических процессов.
В первом случае использовалась установка ТПУ, во втором — находящийся в УрФУ комплекс синхронного термического анализа производства фирмы Netzsch (Германия). Исследование нестандартного для комплекса термического анализа процесса сжигания топлива стало возможным благодаря специальным методикам проведения эксперимента и обработки полученных результатов, которые разработал коллектив ученых УрФУ под руководством профессора кафедры тепловых электрических станций Александра Рыжкова.
«По результатам экспериментов выяснилось, что по сравнению с сжиганием каменного угля, используемого в энергетике, при сжигании водоугольной суспензии фильтр-кека выбросы оксидов серы и азота с продуктами сгорания сокращаются более чем на 40%. По мере испарения влаги и выхода из топлива летучих веществ содержащиеся в нем сера и азот вступают в химические реакции с компонентами золы и таким образом „задерживаются“ ею, а не выходят в виде газообразных оксидов», — объясняет руководитель исследования от УрФУ Александр Рыжков.
Выбросы оксидов серы и азота уменьшаются еще на 12–35% с добавлением в водоугольную суспензию фильтр-кека биомассы (опилок). По мнению ученых, это связано со взаимодействием серы с щелочными металлами, содержащимися в биомассе. Снижение выбросов оксидов азота обусловлено восстановлением оксидов при взаимодействии с водородом, образующимся при пиролизе биомассы.
«В то же время результаты наших экспериментов наглядно продемонстрировали, что сжигание высушенных фильтр-кеков в отсутствие паров воды приводит к повышенным выбросам оксидов серы и азота. Их становится даже больше, чем при сжигании применяемых в энергетике углей», — подчеркивает преподаватель кафедры тепловых электрических станций УрФУ, участник исследований и соавтор статьи Александр Никитин.
Полученные результаты позволили раскрыть механизм трансформации серы и азота при сжигании водоугольных топлив и будут использованы для совершенствования промышленной технологии утилизации отходов углеобогащения. Научный проект соответствует положениям Парижского соглашения, которое нацелено на сокращение выбросов в атмосферу вредных веществ и на снижение темпов глобального потепления.
УрФУ — один из ведущих вузов России со столетней историей. Расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных летних студенческих игр 2023 года. В Год науки и технологий примет участие в конкурсе по программе «Приоритет–2030». Вуз выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ).
