Найден способ повышения эффективности пиролиза низкосортных углей

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) и Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН совместно с коллегами из Китая 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.

Низкосортные разновидности (в частности, бурый уголь) составляют до 40-45 % мировых запасов угля, 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.

Авторы проанализировали процессы термического разложения бурого угля, трех марок каменного угля, а также смесей с добавлением сосновых опилок и отработанного моторного масла. Эксперименты проводили 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, состоящее на 50 % из бурого угля, на 40 % — из воды и на 10 % — из 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 %», — рассказал один из авторов работы, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Вадим Дорохов.

При этом неожиданный оказалось влияние размера частиц угля. Так, наименьшая энергия активации (порог запуска реакции) была зафиксирована для крупных частиц бурого угля, а не для мелких фракций. Ученые связывают это с улучшенным конвективным теплообменом между частицами.

Также выяснилось, 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», — отметил ученый.

На основе полученных экспериментальных данных ученые вывели эмпирические формулы, которые могут предсказывать процесс термического разложения топлива с погрешностью не более 30 % без использования дорогостоящего оборудования и длительных экспериментов для каждого состава.

Исследования поддержаны грантом Минобрнауки России.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации