Ученые ТПУ разработали топливную смесь из отходов переработки угля и старых шин
Исследователи Томского политехнического университета предложили использовать в энергетике необычную комбинацию двух сложных промышленных отходов - обводненной смолы коксования угля и жидких углеводородов, получаемых при пиролизе отработанных автомобильных шин. Эксперименты показали: смешивание этих компонентов заметно улучшает характеристики топлива. Реакционная способность состава увеличивается примерно на 75%, а выбросы отдельных вредных веществ сокращаются до 50%.
Разработка может найти применение в промышленных котельных и на предприятиях, расположенных в угледобывающих регионах. Исследование выполнено при поддержке федеральной программы Минобрнауки России "Приоритет-2030" национального проекта "Молодежь и дети". Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Fuel, входящем в первый квартиль научных изданий.
Почему отходы пиролиза сложно использовать
Пиролиз представляет собой термическое разложение сырья при высокой температуре без или при ограниченном доступе кислорода. В результате образуются три основных продукта: горючий газ, твердый углеродсодержащий остаток и жидкая фракция, состоящая из множества углеводородов.
Состав жидких продуктов зависит от исходного материала и режима переработки. Поэтому их свойства могут существенно различаться: одни фракции обладают высокой энергетической ценностью, другие содержат воду, кислородсодержащие соединения и примеси, ухудшающие воспламенение и стабильность горения. Из-за этого не все продукты пиролиза можно сразу направить в качестве топлива в промышленные установки.
Одним из возможных решений становится создание смесей, в которых недостатки одного компонента компенсируются свойствами другого. Именно такой подход проверили специалисты Инженерной школы энергетики ТПУ.
Какие компоненты использовали в эксперименте
В качестве первого компонента ученые выбрали жидкие углеводороды, полученные при переработке крупногабаритных шин горнодобывающих машин БелАЗ. Такие шины отличаются значительными размерами и сложным составом, поэтому их утилизация остается трудоемкой задачей. Получаемая после пиролиза жидкость содержит большое количество горючих соединений и отличается высокой энергетической ценностью.
Вторым компонентом стала обводненная смола коксования угля Кузнецкого угольного бассейна. Она содержит воду и широкий набор органических веществ, включая кислоты, спирты и другие кислородсодержащие соединения. В чистом виде такая смола обладает менее удобными характеристиками для сжигания, однако может улучшать свойства другого топлива при правильном подборе пропорций.
Исследователи приготовили несколько составов, постепенно увеличивая объемную долю угольной смолы от 2,5 до 40%. Для каждой смеси определяли плотность, вязкость, фракционный и элементный состав, теплоту сгорания, зольность и другие физико-химические показатели.
Как проходили испытания
Полученные составы наносили на экспериментальную установку в виде отдельных капель. Затем образцы сжигали при температуре от 600 до 800 градусов Цельсия. Такой метод позволил отдельно оценить скорость испарения, момент воспламенения, особенности горения и состав образующихся газов.
Главный результат связан с синергетическим эффектом - взаимодействием компонентов, при котором смесь демонстрирует лучшие характеристики, чем каждый продукт по отдельности. Кислородсодержащие вещества в угольной смоле вступают во взаимодействие с углеводородами, полученными из шин. Это ускоряет образование паров топлива и облегчает их последующее воспламенение.
При добавлении 40% обводненной смолы время воспламенения сократилось примерно на 40% при температуре 600 градусов. При нагреве до 800 градусов эффект оказался еще более выраженным: сокращение достигло 75%. Таким образом, смола, несмотря на наличие воды и сложный состав, помогла ускорить начальную стадию горения шинного пиролизного топлива.
Снижение вредных выбросов
Газовый анализ показал, что увеличение доли угольной смолы способствует более полному сгоранию топливной смеси. Это особенно важно для промышленных котлов, где неполное окисление топлива может приводить к росту концентрации угарного газа и других загрязняющих веществ.
В зависимости от состава смеси выбросы оксида углерода и оксидов азота снизились примерно на 50%. Точный результат зависит от соотношения компонентов, температуры и условий подачи топлива. При этом разработка не отменяет необходимость использования систем очистки дымовых газов, но способна снизить нагрузку на них.
Дополнительным преимуществом является возможность переработки сразу двух проблемных потоков отходов. Вместо накопления на специальных площадках или ограниченного применения их можно направлять на получение тепловой энергии.
Где технология может оказаться востребованной
Наиболее очевидная область применения - угледобывающие и углеперерабатывающие регионы, включая Кузбасс. Здесь одновременно присутствуют источники угольной смолы, предприятия с высоким спросом на тепло и развитая промышленная инфраструктура. Дополнительный интерес представляет утилизация отработанных шин карьерной техники, которые трудно транспортировать и перерабатывать традиционными способами.
Потенциально предприятия смогут создавать замкнутую производственную цепочку: собирать отходы, перерабатывать их пиролизом, смешивать полученные фракции и использовать готовое топливо для выработки тепла. Энергия может потребляться на месте либо поставляться промышленным объектам и населению.
Такая модель способна сократить расходы на хранение отходов, уменьшить потребление традиционного топлива и сформировать дополнительный источник дохода. Однако для промышленного внедрения потребуется провести испытания на котлах большего масштаба, оценить стабильность состава при длительном хранении и определить требования к транспортировке.
Что необходимо изучить дальше
Следующим этапом может стать подбор оптимальной рецептуры для конкретных типов котельного оборудования. Разным установкам требуются разные показатели вязкости, температуры вспышки, зольности и теплотворности. Кроме того, необходимо проверить, как смесь ведет себя при непрерывной подаче, а не при сжигании отдельных капель.
Важным вопросом остается предварительная подготовка сырья. Из обводненной смолы, возможно, потребуется удалять часть влаги, а жидкие продукты переработки шин - очищать от механических примесей и потенциально опасных соединений. Эти операции повлияют на себестоимость топлива и экономическую эффективность технологии.
Перспективным направлением является автоматическое управление составом смеси. Система сможет корректировать соотношение компонентов в зависимости от их текущих характеристик, температуры в топке и состава дымовых газов. Это поможет поддерживать устойчивое горение и минимизировать выбросы.
Разработка ТПУ демонстрирует, что сложные побочные продукты переработки можно не рассматривать исключительно как отходы. При научно обоснованном смешивании они способны превращаться в более эффективное топливо, одновременно решая задачи утилизации и обеспечения промышленности тепловой энергией.
