КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-19-00410

НазваниеРазработка научно-технических основ технологии получения продуктов СВЧ-пиролиза из био-угольных композиций

РуководительТабакаев Роман Борисович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет", Тюменская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе

Ключевые словаэнергетика, биомасса, отходы угледобычи, био-угольные топливные композиции, СВЧ-пиролиз, водородсодержащий газ

Код ГРНТИ44.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Негативное воздействие энергетики на окружающую среду и изменение климата планеты приводит к выводу о необходимости замещения ископаемых органических топлив возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Однако, как показывают прогнозы экспертов, ископаемое топливо еще долгие годы будет занимать серьезную долю в топливно-энергетическом балансе. В этой связи перспективным направлением является совместное энергетическое использование ресурсов угля и биомассы. Опыт совместного сжигания био-угольных топливных композиций показывает, что исходя из техническо-экономических соображений доля биомассы в таких композициях не должна превышать 10-20%. Необходим поиск направлений, позволяющих повысить эффективность энергетического использования био-угольных топливных композиций. Одним из наиболее эффективных, доступных и развивающихся в последнее время способов энергетического использования органического сырья (в частности биомассы) является его термическая переработка с целью получения облагороженного топлива в твердом, жидком и газообразном состояниях. Особенно можно выделить СВЧ-пиролиз, как технологию наиболее глубокой, быстрой и управляемой термической переработки. Однако до настоящего времени отсутствует четко систематизированная информация о механизме действия сверхвысокочастотного излучения при пиролизе топлив с различным органическим составом, долей минерализации и характеристиками. Более того, СВЧ-переработка топливных композиций на основе углей разной степени метаморфизма или смесей биомассы с углем изучена крайне мало, хотя, как показано выше, совместное энергетическое использование угля и биомассы является одним из перспективных направлений в современной энергетике. Целью работы является разработка научно-технических основ технологии получения продуктов СВЧ-пиролиза из био-угольных композиций. При выполнении исследований будут проведены численные и натурные эксперименты, которые позволят определить оптимальные составы био-угольных топливных композиций в зависимости от конечного применения получаемой продукции (газообразное, жидкое или твердое топливо, сорбент или углеродистый восстановитель для металлургии) и механизм термической деструкции в условиях сверхчастотного воздействия. Результаты СВЧ-переработки био-угольных композиций будут сопоставлены с данными «традиционной» пиролитической переработки (быстрый и медленный типы пиролиза). Помимо этого, исследуя комбинации из топлив с различной степенью минерализации (несколько видов биомассы и пробы угля, находящегося на разной степени углефикации: от ранних видов бурого угля до антрацита) и используя седиментационное разделение в жидкостях с различной плотностью для выделения фракций разной зольности, будет изучено влияние компонентов неорганической части топлива на протекание процессов пиролитического разложения в условиях СВЧ-излучения. В результате выполнения проекта будет разработан метод получения продуктов СВЧ-пиролиза из био-угольных композиций с использованием электромагнитного микроволнового излучения; установлены рациональные режимы воздействия излучения на био-угольную композицию; исследованы свойства получаемых продуктов (теплотехнические и теплофизические характеристики, структура поверхности и текстурные характеристики и др.); описаны механизм и процессы термической переработки био-топливных композиций в условиях сверхчастотного воздействия, влияние минеральной части исходного сырья на протекание процесса; предложено техническое решение экспериментального образца установки СВЧ-переработки био-угольных композиций производительностью 10 кг/ч. Авторским коллективом проекта запланировано опубликовать 9 статей в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus), не менее трех из которых – в журналах из первого или второго квартилей (Q1-2) по импакт-фактору JCR Science Edition; подать заявку на выдачу патента РФ на изобретение «Установка для СВЧ-пиролиза био-угольных композиций».

Ожидаемые результаты
1. База данных о теплотехнических и теплофизических характеристиках углей, находящихся на разных стадиях метаморфизма, и биомассы, а также био-топливных композиций на их основе, составе и структуре их минеральной части, а также продуктов термической переработки. Эта информация необходима для оптимизации параметров переработки данных топливных ресурсов, разработки энергетического оборудования для их использования. 2. Результаты экспериментальных и численных исследований СВЧ-пиролиза био-угольных композиций и их компонентов по отдельности, включающие выход продуктов, их свойства в зависимости от параметров переработки, величину теплового эффекта разложения и тепловых затрат. Эти данные необходимы для дальнейшей разработки технологического оборудования по совместной переработке угля и биомассы, а также в образовательной деятельности (переобучение персонала, подготовка студентов и т.п.). 3. Впервые будет проведена оценка теплового эффекта термического разложения угля различной степени метаморфизма и нескольких видов биомассы, био-угольных композиций на их основе в условиях СВЧ-обработки. Эта информация позволит определить условия и требования к исходному сырью, обеспечивающие наименьшие энергетические затраты при реализации термопереработки за счет обеспечения автотермического режима. 4. Теоретически и экспериментально подтверждённый физико-химический механизм, описывающий протекание процессов в био-угольной композиции в процессе СВЧ-пиролиза, что позволит наиболее точно математически описать технологические процессы переработки, снизить трудозатраты на проектирование промышленного оборудования. 5. Экспериментальный образец установки СВЧ-переработки био-угольных композиций производительностью 10 кг/ч. 6. Патент РФ на изобретение «Установка для СВЧ-пиролиза био-угольных композиций». 7. Публикации в мировых высокорейтинговых журналах, усиливающие уровень российской науки на мировой арене. На основе перечисленных результатов будет разработана новая технология получения продуктов СВЧ-пиролиза из био-угольных композиций для энергетических нужд. Будут получены новые научные результаты в области СВЧ-преобразования топливных композиций на основе органического сырья. Впервые будет разработан, теоретически и экспериментально подтверждён физико-химический механизм, описывающий протекание процессов в био-угольной композиции в процессе СВЧ-пиролиза, физико-химически описано взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с органической и минеральной частью смесевых топлив, промежуточными продуктами пиролиза. Дальнейшие исследования в этой области, направленные на техническую реализацию технологии в виде промышленного образца энергетической установки, способствуют увеличению доли биомассы в общем топливно-энергетическом балансе и снижению общего уровня техногенного воздействия угольной энергетики. Положительный экологический эффект от внедрения подобных энергоустановок (особенно в регионах с неблагоприятной экологической обстановкой) позволит снизить негативное воздействие энергетики на здоровье человека, тем самым сэкономив затраты населения и государства на здравоохранение. Внедрение разработанной технологии повысит эффективность функционирования агропромышленного и лесоперерабатывающего комплексов за счет переработки их отходов в товарную продукцию, что скажется благоприятным образом на развитии этих комплексов, а также снизит себестоимость производимой ими продукции (снизятся расходы на утилизацию отходов, покроется часть энергетических нужд за счет использования отходов, будут привлечены дополнительные инвестиции от реализации получаемых продуктов). Это способствует продвижению отечественной продукции на мировые рынки, повысит долю экспорта в данном сегменте экономики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате выполнения первого года проекта № 22-19-00410 «Разработка научно-технических основ технологии получения продуктов СВЧ-пиролиза из био-угольных композиций» сформирована подробная база данных о характеристиках топлив, находящихся на разной степени метаморфизма (от опилок до антрацита), и составе их неорганической части, получены результаты экспериментальных и аналитических исследований пиролиза изучаемых топлив в условиях внешнего обогрева (медленный слоевой пиролиз) и СВЧ-излучения (СВЧ-пиролиз), проведена сравнительная оценка материальных и тепловых балансов для данных типов пиролиза, характеристик получаемых продуктов, построена математическая модель численного изучения динамики нагрева топлив в условиях СВЧ-излучения. Отмечено, что при СВЧ-переработке по сравнению с медленным слоевым пиролизом остается меньшее количество твердого углеродистого остатка, что в свою очередь приводит к более высокому выходу летучих продуктов (пары смолы и газ). Получаемый при СВЧ-пиролизе газ имеет низкую забаластированность углекислым газом, высокую долю метана, монооксида углерода и водорода, что существенно повышает экологичность его энергетического использовании. При изучении видеокадров высокоскоростной съемки процесса СВЧ-переработки показано, что облучение топлива СВЧ-излучением характеризуется формированием искровых разрядов в массиве образца. Кроме того, установлено, что при действии СВЧ-излучения образец равномерно прогревается по всему объёму, выделяющаяся при термической деструкции вода моментально вскипает, тем самым «разрыхляя» образец. Формирующийся пузырёк пара в углеродсодержащей среде не только разрыхляет его, но и является «микрореактором», в котором возможно протекание реакции взаимодействия с углеродом с образованием угарного газа и водорода. Всё это приводит не только к более высокой степени газификации объекта и образованию молекул СО и Н2, но и к более высокой величине удельной поверхности образца. Результаты исследования опубликованы в 4-х статьях, 3 из которых в журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и/или «Скопус» (Scopus): Energies – Q1, Теплоэнергетика» (Thermal Engineering) – Q2, Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов (Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering) – Q2. Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика относится к журналам, входящим в Перечень ВАК. Апробация работы проведена на VII Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых учёных "Теплофизика и физическая гидродинамика" (г. Сочи, 5-14 сентября 2022 г.), II Всероссийской с международным участием молодежной конференции "Бутаковские чтения" (г. Томск, 13-15 декабря 2022 г.), Международной научно-практической конференции "Перспективные технологии и материалы" (г. Севастополь, 21-23 сентября 2022 года), Международной научно-практической конференции имени Д.И. Менделеева (г. Тюмень, 24-26 ноября 2022 г.). Наиболее важные результаты исследования освещены в российских (https://ria.ru/20220928/tyumgu-1819718378.html) и зарубежных (https://www.kt.kz/rus/reviews/_1377940393.html) средствах массовой информации.

Публикации

1. Астафьев А.В., Шаненков И.И., Ибраева К.Т., Табакаев Р.Б., Прейс С.В. Autothermal Siberian Pine Nutshell Pyrolysis Maintained by Exothermic Reactions Energies, том 15, номер статьи 7118. https://doi.org/10.3390/en15197118 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/en15197118

2. Ибраева К.Т., Шаненков И.И., Языков Н.А., Табакаев Р.Б., Заворин А.С. Options for Energy Applying High-Ash Peat as a Part of Fuel Compositions Теплоэнергетика (Thermal Engineering), Vol. 70, No. 2, pp. 129–138. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0040601523020039

3. Табакаев Р.Б., Димитрюк И.Д., Калинич И.К., Астафьев А.В., Гиль А.В., Ибраева К.Т., Чумерин П.Ю. Экспериментальное исследование СВЧ-пиролиза твердых органических топлив Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т. 333. № 12. 190–199 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18799/24131830/2022/12/3789

4. Шаненков И.И., Астафьев А.В., Гайдабрус М.А., Табакаев Р.Б. Изменение теплофизических и теплотехнических характеристик отходов мукомольного производства в процессе медленного пиролиза Вестник ТюмГУ. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика, ом 8. № 3 (31). С. 23-43. DOI: 10.21684/2411-7978-2022-8-3-23-43 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21684/2411-7978-2022-8-3-23-43

5. - Новая молодёжная лаборатория ТюмГУ получила грант РНФ РБК, Пресс-релизы , Тюмень , 04 апр, 14:33 (год публикации - )

6. - Новое экологичное топливо из мусора научились делать в России РИА Новости, МОСКВА, 28 сен — РИА Новости. (год публикации - )

7. - ЭОС: Новое экологичное топливо из мусора научились делать в России Читать: https://www.kt.kz/rus/reviews/_1377940393.html Kazakhstan Today, 28.09.2022, 10:15 (год публикации - )

8. - Новая молодёжная лаборатория ТюмГУ получила грант РНФ Новости ТюмГУ, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате выполнения второго года проекта № 22-19-00410 «Разработка научно-технических основ технологии получения продуктов СВЧ-пиролиза из био-угольных композиций» подобраны и экспериментально исследованы эффективные варианты био-угольных композиций, требующих минимальные энергетические затраты на их переработку за счет сокращения времени инициирования процесса, обоснованно выбраны полифункциональные катализаторы для медленного слоевого (из условия минимизации содержания смол в генерируемом газе и повышения КПД термопереработки) и СВЧ-пиролиза (из условия получения наиболее калорийного газа и снижения продолжительности термопереработки). Установлено, что поглощение СВЧ-излучения топливом не зависит от его степени метаморфизма, а обусловлено составом его органической и минеральной частей. Выход продуктов при термической переработке смесевых топливных композиций и состав твердого углеродистого остатка (как при СВЧ, так и при медленном слоевом видах пиролиза) можно приблизительно оценить, зная данные о поведении отдельных компонентов из этих композиций. Добавление катализатора глубокого окисления или никелевого катализатора к перерабатываемому топливу позволяет существенно снизить выход смолопродуктов, а также существенно повысить теплотворную способность генерируемого газа за счет повышения доли водорода. Добавление биомассы (например, навоза крупнорогатого скота в количестве 10-20% по массе) к углю позволяет существенно снизить время инициирования процесса СВЧ-пиролиза (более чем в 3 раза). Введение микроволновых поглотителей на основе меди и железа в состав топлива оказывает тепловое воздействие, приводящее к сокращению времени инициирования процесса СВЧ-пиролиза в 1,2-32,5 раза в зависимости от вида катализатора и исходного сырья. При этом за счет каталитического механизма изменяется состав генерируемого газа и его теплотворная способность. На основе полученных результатов, включающих визуализацию процесса, материальные балансы, характеристики продуктов и распределение температуры, описан физико-химический механизм протекания термической переработки твердых органических топлив в условиях воздействия СВЧ-излучения, а также составлена многостадийная математическая модель СВЧ-пиролиза. Результаты исследования опубликованы в 3-х статьях в журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и/или «Скопус» (Scopus): Journal of Analytical and Applied Pyrolysis – Q1, Biomass Conversion and Biorefinery – Q2, Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов (Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering) – Q3. Апробация работы проведена на 5 научно-технических конференциях международного и всероссийского уровней. Наиболее важные результаты исследования освещены в российских средствах массовой информации (РИА Новости, https://ria.ru/20231026/nauka-1905148276.html).

Публикации

1. Табакаев Р., Калинич И., Димитрюк И., Асильбеков А., Астафьев А., Ибраева К., Шаненков И., Мостовщиков А., Чумерин П. Experimental study of microwave processing of pine nut shells into a high-calorie gas: main results and physicochemical features Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, выпуск 176, номер статьи 106264, https://doi.org/10.1016/j.jaap.2023.106264 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jaap.2023.106264

2. Табакаев Р., Калинич И., Мостовщиков А., Димитрюк И., Асильбеков А., Ибраева К., Гайдабрус М., Шаненков И., Рудмин М., Языков Н., Прейс С. Microwave pyrolysis of cattle manure: initiation mechanism and product characteristics Biomass Conversion and Biorefinery, 2023, https://doi.org/10.1007/s13399-023-04686-9 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s13399-023-04686-9

3. Табакаев Р.Б., Пономарев К.О., Калинин И.К., Гайдабрус М.А., Шулаев Н.А., Елецкий П.М. Комплексная СВЧ-переработка высокозольного бурого угля для нужд энергетической и металлургической отраслей Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т.335. - №1, 2024 (год публикации - 2024)

4. - В России превратили навоз в высококалорийный и экологичный газ РИА Новости, МОСКВА, 26 окт — РИА Новости (год публикации - )