Ученые ТПУ в составе международной научной группы предложили способ увеличения эффективности пиролиза низкосортных углей. Новый подход позволяет ускорить процесс пиролиза угольных смесей в несколько раз и повысить интегральный показатель эффективности топлива на 4–10 % по сравнению с чистым углем. На основе экспериментальных данных ученые получили эмпирические формулы, которые могут предсказывать процесс термического разложения топлива с погрешностью не более 30 %.
Исследования поддержаны грантом Минобрнауки России (№075-15-2024-543). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Powder Technology (Q1, IF: 4,6).
Низкосортные угли (в частности, бурый уголь) составляют до 40-45 % мировых запасов, но их энергетическая ценность невысока. Одним из наиболее эффективных способов повышения их качества является пиролиз — термохимическое разложение в инертной среде при нагревании. Однако поведение сложных смесей (например, угля и дополнительных добавок в виде отходов деревообрабатывающей промышленности) до сих пор изучено недостаточно.
Ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политеха в составе международного коллектива проанализировали стадии термического разложения бурого угля, трех марок каменного угля, а также смесей с добавлением сосновых опилок и отработанного моторного масла. Эксперименты проводились в токе азота при температуре до 1 100 °C с варьированием размера частиц (от 100 до 1 000 мкм) и скорости нагрева (от 10 до 30 °C/мин).
«Многокритериальный анализ показал, что наиболее эффективной смесью является топливо из 50 % бурого угля, 40 % воды и 10 % отработанного моторного масла. Его интегральный показатель эффективности на 10 % выше, чем у чистого бурого угля. «Сухая» смесь из 90 % бурого угля и 10 % опилок дает прирост в 4 %. При этом неожиданный эффект показали разные размеры частиц угля. Так, наименьшая энергия активации (порог запуска реакции) была зафиксирована нами для крупных частиц бурого угля, а не для мелких фракций. Мы связываем это с улучшенным конвективным теплообменом между частицами», — отмечает один из авторов работы, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Вадим Дорохов.
Результаты исследований показали, что высокореакционные добавки (опилки и отработанное масло) многократно увеличивают скорость термического разложения такого составного топлива по сравнению с чистым углем и снижают температуру начала пиролиза до 26 %.
По словам ученых, взаимодействие компонентов на стадии испарения влаги позволил достичь синергетического эффекта почти в 30 %, а всего процесса термического разложения — до 7 %.
«Наши эксперименты показали, что грамотно подобранные составные смеси на основе низкосортного угля и отходов могут быть существенно эффективнее при пиролизе, чем исходный уголь. Причем твердый остаток после разложения таких смесей имеет теплоту сгорания на 26-30 % выше, чем у исходного бурого угля», — добавляет ученый.
На основе полученных данных политехники вывели эмпирические формулы процесса пиролиза смесевых топлив на основе угля. Они учитывают среднюю энергию активации, содержание летучих веществ, влажности и зольности и другие показатели. Формулы позволяют с погрешностью не более 30 % прогнозировать поведение новых угольных смесей при термической конверсии без использования дорогостоящего оборудования и длительных экспериментов для каждого состава.
В исследовании приняли участие ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политеха, Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН и Ведущей лаборатории в области исследований и разработок по термогидродинамике Министерства образования (Китай).