Вчера — сложный отход, сегодня — ценный компонент эффективного топлива: ученые из Томского политехнического университета нашли применение балластному промышленному продукту — обводненной смоле коксования угля. Смешав его с энергетически богатыми жидкими углеводородами, получаемыми при переработке автомобильных шин, исследователи получили источник тепла для коммунального хозяйства. Об исследовании корреспонденту «Научной России» рассказал один из его авторов, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ кандидат технических наук Кирилл Борисович Ларионов.
За основу перспективного топлива исследователи взяли жидкие углеводороды, получаемые при переработке крупногабаритных шин горнодобывающей техники БелАЗа, и обводненную смолу коксования угля Кузбасса. Оба продукта получают в результате термического разложения исходного материала под действием высокой температуры. Сейчас этот процесс рассматривается как перспективный способ переработки различных отходов и углеводородного сырья. Но некоторым продуктам сложно найти дальнейшее применение, и один из таких примеров — как раз обводненная угольная смола. Поэтому ученые пробуют извлекать пользу из подобных балластных продуктов в составе смесей.
«Идея использования подобного сырья пришла в голову в результате анализа региональных проблем Кузбасса, где на предприятиях по добыче и обогащению угля образуются специфичные виды продуктов, можно сказать, даже отходов, — объяснил К.Б. Ларионов. — Решение совместно использовать эти два продукта связано, прежде всего, с тем, что обводненная смола коксования угля очень плохо горит и не может быть использована как отдельный тип топлива. В то же время жидкие углеводороды от пиролиза отработанных шин могут сами по себе играть роль топлива — пусть и относительно сернистого, но с прекрасными горючими свойствами, сравнимыми с традиционным углеводородным сырьем, например, мазутом марки М-100. Изначально мы планировали рассмотреть техническую возможность способа утилизации обводненной угольной смолы, но затем обнаружили, что этот продукт улучшает процесс сжигания углеводородного топлива».
Доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ кандидат технических наук Кирилл Борисович Ларионов.
Фото: Александр Волков / пресс-служба ТПУ
Секрет технологии — в кислотах и спиртах, содержащихся в обводненной смоле: реагируя с углеводородами, они усиливают выделение паров, благодаря чему смесь загорается быстрее, чем жидкие углеводороды от пиролиза шин по отдельности. Исследователи опробовали подход на разных вариантах смеси, меняя долю смолы в топливе от 2,5% до 40% и сжигая получаемые капли в специальной печи при температурах 600–800 °C. Эффект оказался впечатляющим: так, при сжигании нового топлива с 40-процентным содержанием смолы воспламенение ускорилось на 40% при температуре 600 °C и на 75% при температуре 800 °C.
Разработка томских ученых — перспективное решение, превращающее промышленный балласт в полезный продукт. В регионах с развитой угольной отраслью технологию могут взять на вооружение перерабатывающие предприятия, сжигая обводненную смолу в составе топливных смесей и продавая выделяющуюся тепловую энергию для быта и индустрии.
«С учетом производимых объемов жидких углеводородов от пиролиза шин и такого низкокачественного сырья, как обводненная угольная смола, их можно использовать в коммунальных жидкотопливных котельных или котельных с комбинированным способом сжигания, — отметил К.Б. Ларионов. — То есть речь идет о генерации тепла для отопления и горячего водоснабжения относительно небольших промышленных объектов и жилых домов».
Лаборатория газификации твердых топлив ТПУ. Пилотный стенд для экспресс-испытаний жидких топлив и различных модификаций угольных топлив, который использовали авторы исследования.
Фото: Александр Волков / пресс-служба ТПУ
Чем больше смолы в новом топливе, тем полнее оно сгорает. К такому выводу пришли исследователи, проанализировав газы, выделяющиеся при сжигании смесей. При этом угольная смола позволяет сократить объем вредных выбросов — угарного газа и оксида азота. Этот показатель может достигать 50% в зависимости от количества добавляемой смолы.
«Вопреки ожиданиям, что высокое содержание воды в смоле ухудшит процесс горения, мы обнаружили довольно интересный синергетический эффект, заключающийся в химическом взаимодействии кислородсодержащих компонентов смолы с углеводородами топлива из шин, — пояснил К.Б. Ларионов. — Угольная смола богата органическими кислотами и спиртами либо фенолами. Кислоты активируют процесс частичного термического распада сложных и тяжелых гидрокарбонатов в топливе еще на стадии нагрева, что снижает энергию активации смеси. Кроме того, реакционноспособные полярные молекулы смолы вызывают деструкцию углеводородных цепей жидких углеводородов на более легкие и летучие радикалы, которые испаряются быстрее и равномернее. В результате мы наблюдаем улучшение экологических показателей сжигания такого топлива».
У этой выгоды есть и обратная сторона: если обводненной смолы будет слишком много, топливная смесь станет менее эффективной с точки зрения выделения тепла. Поэтому здесь нужно соблюдать баланс.
«На вопрос об оптимальном составе топливной смеси сложно ответить однозначно, поскольку все зависит от задачи, — подчеркнул К.Б. Ларионов. — Если мы говорим про энергетику, то, конечно, введение большей доли обводненной смолы закономерно приведет к снижению тепловыделения. Чудес не бывает: вода — энергетический балласт для хорошего топлива. Поэтому с точки зрения максимизации энергетической выгоды доля обводненной угольной смолы в топливе должна быть минимальной — до 10%. А вот если делать акцент на экологических показателях процесса сжигания, то в этом случае доля смолы в топливной смеси может доходить и до 40%».
Исследование проведено в рамках программы «Приоритет-2030». Результаты представлены в высокоуровневом профильном научном журнале Fuel. В работе участвовали эксперты Инженерной школы энергетики ТПУ.
«Мы не планируем останавливаться на достигнутом. На следующем этапе мы хотим испытать полученное топливо в условиях распыляемого потока в виде факела на специализированном стенде, который готовим в настоящее время, — поделился К.Б. Ларионов. — Мы также рассматриваем возможность сжигания других видов жидких топлив совместно с отходами, “слабыми” по энергетическим свойствам, чтобы решить сразу две задачи: преодолеть проблему накопления отходов и улучшить экологические показатели энергетических объектов».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью и на странице: Александр Волков / пресс-служба ТПУ.
