Все горит, все меняется. "В мире науки" №11, 2018 г.

Научный комплекс преобразования твердых видов топлива Томского политехнического университета называется громко — мегасайенс-установка. В бетонированных бункерах (здесь их называют локациями комплекса) шумят и мигают сложные технологические части установки по исследованию процессов переработки угля, древесных опилок и даже прелой осенней листвы и хвои в топливо, которое может обогревать наши дома. Ученые из ТПУ уверены: настало время научиться перерабатывать все отходы жизнедеятельности человека экологически безопасными методами, чтобы очистить мир от мусора и обеспечить себя дешевой тепло- и электроэнергией.

Александр Сергеевич Матвеев, исполняющий обязанности директора Инженерной школы энергетики:

• С 2012 г. Томский политехнический университет начал заниматься тематикой, связанной с преобразованием твердого топлива. Полученный задел позволил заручиться поддержкой Министерства образования и науки в виде крупного гранта по научным исследованиям в области газификации углей. Параллельно с этим было выиграно несколько конкурсов по фундаментальным исследованиям процессов зажигания топлива. Один из наших молодых ученых, которые занимаются этими исследованиями, — П.А. Стрижак. Тематика работ его научного коллектива — разработка теоретических основ зажигания и горения всевозможных углей, нефти и отходов, налаживание производств для того, чтобы в дальнейшем внедрить эти технологии на объектах топливно- энергетического комплекса.

• И как все это горит?

• Как доказали проведенные исследования. горит хорошо, причем при добавлении воды улучшаются экологические показатели. Это одно из поддержанных фундаментальных направлений— зажигание органоводоугольных видов топлива (ОВУТ).

• Наверняка эта тематика развивается во всем мире?

• Да, достаточно активно. В мире накопилось огромное количество отходов углеперерабатывающих предприятий.

• Эти отходы — побочный продукт обогащения угля. Обогащение — это совокупность процессов механического отделения балластных и вредных примесей, рассортировки на классы по крупности и разделения на сорта с целью повышения качества и удовлетворения требований основных потребителей. Отвалы с отходами, с этими низкосортными частями вокруг шахт занимают огромные территории. В технологических установках обычной энергетики подобные отходы не представляется возможным сжигать. Мы исследуем, как использовать такие вещества для получения полезной продукции в виде тепловой и электрической энергии с хорошими экологическими показателями. Несколько лет назад мы начали выполнять крупную прикладную работу, связанную с созданием конкретных установок по газификации твердого топлива.

• Что удалось сделать?

• Были разработаны и созданы лабораторные прототипы элементов установок по газификации твердых видов топлива, отработаны основные режимные параметры, и в настоящее время на территории действующей электростанции строится стенд комплексных испытаний технологий газификации. Работа над стендом находится на завершающем этапе. В его основу легли в том числе наработки лаборатории ученых Томского политехнического университета. В ближайшее время нам предстоит испытать все это оборудование в реальных промышленных условиях. Основная проблема во всех этих исследованиях— масштабирование результатов. Когда мы берем частичку вещества и исследуем его в одной из наших аналитических установок, все идеально. А если мы берем 20-25 кг топлива, это совершенно другое дело. А что будет, если мы возьмем тонну, две тонны?

• А что будет?

• Ответ на этот вопрос и есть наша главная задача. Причем это проблема для ученых всего мира. Для всей отрасли. В мире сегодня можно пересчитать по пальцам реально действующие крупные установки по газификации угля для энергетических нужд.

• Чем ваша технология отличается от других, существующих в мире?

• В нашей научной лаборатории мы прежде всего пытаемся использовать не только уголь, но и все, что потенциально может быть применено в виде первичного топлива. Мы хотим исследовать сам процесс преобразования топлива. У нас есть газификатор, спроектированный исключительно для научных исследований. В нем предусмотрены несколько уровней для подачи греющей среды. Там много избыточных элементов, которые, на первый взгляд, не очень нужны в промышленной установке, но они помогают нам в исследованиях. Мы изначально попытались сделать так, чтобы и пар, и воздух в качестве рабочей среды можно было подавать под разными углами, на разных уровнях. В этом уникальность нашей установки. Необычно и то, что наш газификатор способен работать под большим давлением — до 10 атм. Это потребовало изготовления внутренней части из металлов, выдерживающих такие давления и температуры.

• Для чего нужно столь высокое давление?

• Высокое давление позволяет интенсифицировать процесс газификации. Если мы проведем эксперимент при атмосферном и при повышенном давлении, то на выходе получим разные качественные и количественные показатели. Этими исследованиями занимались многие ученые, в том числе в России.

• Какие перспективы у ваших установок? Когда и каким образом вы собираетесь выходить в большие цеха, «в народ»?

• Думаю, в течение 2019 г. мы завершим создание опытно-промышленной установки, которую с полным основанием можно будет называть мегасайенс-установкой.

• Она включает в себя две параллельно работающие линии. Первая— газификатор прямоточно-вихревого типа, в который подается водоугольное топливо, то есть размолотое в пыль топливо, смешанное с водой. Вторая — газификатор горнового типа с использованием фракции угля размером 5-50 мм. Производительность, на которую рассчитаны газификаторы. — порядка 4 т/ч. Это большая мощность.

• Но чего вы ждете от своего эксперимента? Что принципиально изменится?

• В первую очередь мы хотим показать, что технология газификации может быть экономически оправдана.

• А кто-то сомневается?

• Да, сомневающиеся есть. Мы намереваемся своим масштабным экспериментом подтвердить свою правоту. Расчеты и проведенные на лабораторных установках научные эксперименты дают основание считать, что все получится. Скептики говорят: «Покажите нам это на практике». Вот мы и собираемся всем это продемонстрировать.

• А что скептики предлагают вместо этого?

• Скептики говорят, что сегодня эта технология на территории Российской Федерации не будет востребована, что экономически целесообразнее сжигать природный газ или качественный уголь. На наш взгляд, это недальновидная позиция. Использование предлагаемой технологии газификации позволит вовлечь в топливно-энергетический баланс местные низкосортные виды топлива и получить генераторный газ с хорошими экологическими показателям и низкой стоимостью. Пример такого низкосортного топлива— бурый уголь.

• Только уголь?

• Конечно нет. Можно использовать практически все. Энергетики относятся к этому со скепсисом, для них жечь опилки, щепу, другие отходы — это что-то несерьезное. Действительно, у нас в энергетике сегодня нет технологии, которая позволила бы подавать такое топливо в котел в промышленных масштабах. Ведь любой энергетический котел, работающий на твердом топливе, угле, — это в первую очередь система пылеприготовления из угля и, соответственно, система подачи этого топлива в топку котла. Причем это делается из угля конкретной марки, с конкретного месторождения. То есть проектируется котел под определенный уголь — скажем, бородинский или какой-то еще. Поверхности нагрева, количество труб — все рассчитывается под эту марку угля. Как только поставщик угля начинает поднимать цены, энергетики вынуждены переходить на непроектное топливо со снижением экономических и экологических показателей. Допустим, если говорить на примере Томской области, то у нас есть свои местные виды топлива. В частности, это именно бурый уголь. С точки зрения использования его напрямую, в энергетических котлах он достаточно плохо горит. Мы хотим показать, что сначала газифицировав его и получив энергетический газ, дальше его можно сжигать в топках котлов. К бурому углю можно подмешивать отходы деревообрабатывающей промышленности Томской области — те же опилки, которые сегодня просто выбрасываются. Лесоперерабатывающие производства не знают, куда их деть.

• То есть вы считаете, что эта технология для России может быть актуальна и востребована? Ведь природные источники иссякают, а мусора вокруг очень много.

• Да, конечно. В 2017 г. была разработана и открыта новая магистерская программа «Экологически чистые технологии преобразования энергоносителей». Программа создана специально под это направление. В 2017 г. был осуществлен первый набор магистрантов в количестве 12 человек. Причем многие из них после обучения планируют остаться в университете — поступать в аспирантуру. Это подпитка кадрами и одновременно подготовка кадров высшей квалификации для производства там, где это востребовано. Потом эти студенты становятся идеологами такого рода направлений именно в производстве, и это особенно важно, потому что людей, привыкших работать по какой-то схеме, бывает сложно в чем-то переубедить. А эти ребята на фундаментальном уровне изучают свойства топлива. Они новаторы по определению. В России подобных программ больше нет. Это первая программа с таким уклоном. Мы обучаем их также современным технологиям, оборудованию, эксплуатации существующих станций. До нас никто так глубоко в область экологически чистых технологий не уходил, ни один из университетов и институтов страны.

• Владимир Евгеньевич Губин,

  доцент Научно-образовательного центра им. И.Н. Бутакова:

• Среди нашего оборудования есть абсолютно уникальные установки. Особенность их в том, что все эти процессы изучены на частицах, мы же здесь пытаемся восстановить эти процессы и изучить их в околопромышленных масштабах. Мы можем готовить топливо кубометрами. Кроме того, изучая существующие способы регистрации параметров процессов, которые использовались с 1960 г., мы стараемся посредством сетевого взаимодействия разработать для изучения процессов и получения беспрецедентных результатов новые методики, в том числе и лазерную диагностику, и высокоскоростную фото- и видеосъемку процессов.

• Если говорить о лабораторном прототипе газификатора, то эта установка тоже уникальна — с не имеющими аналогов характеристиками, позволяющая создавать температуру среды до 900° С и высокое давление. В газификатор засыпается материал, которым может быть что угодно — уголь как качественный, так и низкосортный, лигниты, бурый уголь и т.д. Мы работаем и со смесевыми видами топлива, пытаемся смешивать, например, опилки с углем, с травой и даже осенними листьями. Последний тренд, над которым мы начинаем работать, — это твердые бытовые отходы. Это в том числе и мусор, который сейчас просто выбрасывают. Мы проработали вопросы с объектами лесопромышленного комплекса, пробовали разные варианты — например, сельскохозяйственные отходы, которые образуются при производстве муки, круп и т.д. Сейчас пробуем то, что выбрасывается: каким образом это рассортировать, измельчить, что из этого можно сжигать и получать синтез-газ. Люди долгое время загрязняли планету. Сейчас пришло время научиться избавляться от мусора без экологического вреда, но с экономической пользой.

  Дмитрий Васильевич Гвоздяков,

  доцент НОЦ им. И.Н. Бутакова:

  Моя часть исследований проходит на установке, которая называется «камера распыла водоугольного топлива», — другими словами, аэродинамический имитатор топки энергетического котла. Мы разработали ее своим коллективом при участии проектировщиков. На этом устройстве можно исследовать различные виды водоугольного топлива, приготовленного из различных видов углей. Мы исследуем здесь также структуру водоугольного факела, который формируется в процессе распыла, используя различные форсуночные устройства.

• Важно и то, что здесь камера имеет изменяющийся внутренний объем: задняя ее стенка может двигаться. В настоящее время мы проводим исследования структуры факела. Для этого мы осуществляем подсветку лазером в данной плоскости, под углом 45° к горизонту, и высокоскоростной камерой снимаем под углом 90°. Таким образом, у нас в кадр попадают частицы водоугольного топлива, которые в этот момент уже распыляются, и мы можем наблюдать эффект дробления капель за счет «встречного потока». Этот поток находится в неподвижном состоянии, то есть капли разбиваются о воздух в процессе дробления.

  Камера может поворачиваться также в вертикальной плоскости, наклоняться, и за счет этого в процессе распыла мы можем учитывать эффект действия гравитационных сил на процесс распыла. Все эти факторы — изменяющийся объем, способность устройства изменять наклон и т.п. — делают его уникальным: в России, да и в мире подобных нет.

  Станислав Александрович Янковский,

  ассистент НОЦ им. И.Н. Бутакова:

  — В нашей лаборатории на данный момент находятся две установки по формированию твердых топливных элементов в виде смесевого топлива. Это пресс, на котором мы можем готовить единичные частички топливных брикетов (топливные пеллеты) с возможностью регулирования параметров воздействия. Мы исследуем смесевое топливо как в виде порошка, так и в виде топливных пеллет. Для этого мы готовим частички, проводим элементный анализ — калорийность, фракционный состав и т.д. Потом проводим целый ряд исследований по формированию топливных брикетов. и после того как мы нашли подходящий способ, проводим исследования по их зажиганию. Для этого у нас есть модернизированная минипечь, в которую мы можем подавать топливные пеллеты, выдерживая разные температуры. Специально спроектированная камера наблюдения позволяет с высокой точностью определять степень задержки зажигания. Мы определяем, насколько быстро загорается топливо, как влияют различные примеси на зажигание смесевого топлива. Установлено, что именно частички древесины становятся инициаторами зажигания. Это обеспечивает более низкие температуры зажигания, что позволяет сократить время на прогрев топочных камер.

  У нас есть также газоотвод, на который мы устанавливаем газоанализатор и можем определять, какие химические элементы выделяются при сжигании того или иного смесевого топлива в виде как порошков, так и топливных брикетов. Отмодели- ровав в миниатюре, как и что происходит, можно переходить к более масштабным экспериментам на лабораторном газификаторе. Для получения необходимого количества исходных топливных пеллет у нас есть топливный гранулятор, позволяющий производить порядка 80 кг топлива в час.

  Сложность в том, что не сразу образуются гранулы. Нужно подобрать режим, температуру нагрева матрицы, влажность топлива и множество других факторов. И здесь мы привлекаем наших студентов и магистрантов для решения конкретных прикладных задач. Таким образом, мы получаем топливные пеллеты различного состава в объемах, достаточных для полномасштабных исследований на лабораторном газификаторе. ■

  Беседовала Наталия Лескова