Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1) Спроектирован и создан стенд для изучения процессов зажигания и горения топливных брикетов и пеллет. В ходе проведенных экспериментальных исследований процессов зажигания и горения топливных пеллет с добавками отходов разных отраслей промышленности установлено, что увеличение температуры в камере сгорания в диапазоне 700–900 °С привело к снижению времени задержки зажигания в 1.5–4 раза и снижению продолжительности горения до 31%. Использование отходов в составе пеллет из опилок способствовало росту времени задержки газофазного зажигания в 1.2–3.4 раза. Задержки гетерогенного зажигания топливных пеллет с добавками индустриальных и бытовых отходов, а также торфа возросли на 6–20%. Максимальные температуры горения топлив разных составов варьировались в диапазоне 925–1200 °С (при температуре 700–900 °С). Максимальными температурами горения на всем исследуемом диапазоне температур характеризовались пеллеты с добавками картона 15 масс.%. 2) Спроектирован и создан стенд для изучения характеристик термического разложения и горения топливных пеллет на основе биомассы с добавками отходов разных отраслей промышленности и низкосортных топлив. Установлено, что по сравнению с пеллетами на основе опилок, смесевые пеллеты с добавками угольного шлама, торфа, соломы и рисовой шелухи, картона и пластика имеют более низкую реакционную способность. Температуры полного термического разложения возрастали, по сравнению с пеллетами без добавок, на величину до 34%. Зарегистрировано, что с увеличением скорости нагрева образцов в диапазоне 10–50 °С/мин максимальная скорость термического разложения топливных пеллет без добавок увеличилась в 1.5–2.6 раз, а для пеллет с добавкой отходов – в 1.8–3.4 раз. Также установлено, что по мере роста скорости нагрева образцов, температура их зажигания увеличивалась на 43–71 °С. 3) Спроектирован и создан стенд для изучения состава дымовых газов, образующихся при горении топливных пеллет и брикетов в модельной камере сгорания. Проведен качественный и количественный анализ состава дымовых газов. Регистрировалось выделение следующих газов: СО2, СО, NOx, SO2 и H2S. Экологические преимущества, с точки зрения оксидов углерода, получены при использовании смеси соломы с шелухой, угольного шлама и картона в составе древесных пеллет. Выбросы СО2 уменьшились на 10–24%, СО – на 5–54% в сравнении с опилками без добавок. Добавка пластиковых отходов, напротив, привела к росту СО2 и СО на 4–15% и 5–63%. Повышенное содержание азота в торфе, угольном шламе и соломе привели к росту выбросов NOx на 5–94%. При создании пеллет с добавками твердых бытовых отходов концентрации NOx снизились на 22–78%. По результатам экспериментов установлено, что все рассматриваемые образцы при горении характеризовались низкими концентрациями оксидов серы. Диапазон варьирования концентраций SO2 составил 2–20 ppm. Минимальные выбросы SO2 зарегистрированы при использовании картона, соломы и рисовой шелухи. 4) Определены прочностные характеристики топливных пеллет и брикетов. Установлено, что использование добавок индустриальных и бытовых отходов, а также низкосортных топлив в количестве 5-15 масс.% способствует увеличению устойчивости топливных пеллет к истиранию и воздействию влаги на 4–46%. Испытания устойчивости пеллет к ударным нагрузкам показали, что ни один из исследуемых составов не подвергался полному разрушению, наблюдались отделение мелких пылевидных частиц и образование сколов по периметру пеллета. Коэффициент ударопрочности пеллет с добавками отходов снизился на 0.3–2.3%. Применение отходов в составе древесных пеллет также способствовали росту плотности на 2–6%. Максимальная плотность достигалась при использовании торфа в составе пеллет. 5) Определены удельные энергии сгорания топливных брикетов и пеллет. Теплота сгорания исследуемых топливных смесей варьировалась в диапазоне 17.6–23.0 МДж/кг. Экспериментально установлено, что использование добавок пластика, угольного шлама, подсолнечного жмыха, лигнина и смеси картона с пластиком приводит к увеличению теплоты сгорания исследуемых топлив. При этом максимальное тепловыделение можно получить при сжигании пеллет с добавкой 15 масс.% пластика. По сравнению с пеллетами без добавок, теплота сгорания увеличилась на 16%. Самой малой удельной теплотой сгорания характеризовался состав на основе опилок и смеси соломы с рисовой шелухой в количестве 15 масс.%. По сравнению с пеллетами без добавок, теплота сгорания уменьшилась на 11%. 6) Экспериментально изучено влияние связующих добавок (коммерческих и из числа отходов) на эксплуатационные показатели пеллет на основе древесной биомассы (опилок). В качестве связующих коммерческих добавок рассматривались крахмал и лигнин. Угольный шлам, торф и подсолнечный жмых выбраны в качестве добавок из группы отходов и низкосортных топлив. Установлено, что относительно опилок без добавок коэффициенты устойчивости к вибрации и гигроскопичности увеличились на 6–9% и 26–31%, соответственно, при использовании торфа и угольного шлама в составе пеллет. Коэффициент ударопрочности для данных составов был максимально приближен к значению, полученному для пеллет на основе опилок без добавок. Установлено, что наиболее предпочтительной концентрацией связующей добавки является величина 5 масс.%, в этом случае достигался наибольший положительный эффект с точки зрения эксплуатационных свойств пеллет. Образцы на основе опилок и отходов подсолнечника имели тенденцию к ухудшению прочностных и эксплуатационных свойств. Применение крахмала и лигнина целесообразно для улучшения механической устойчивости пеллет, однако, они увеличивают себестоимость топлива. 7) Проведена многофакторная оценка перспектив использования новых составов топливных пеллет. По результатам многофакторного анализа, охватывающего до 16 энергетических, эксплуатационных, экономических и экологических составляющих, обосновано, что использование отходов в составе древесных пеллет может увеличить комплексный показатель эффективности до 12% в зависимости от типа и концентрации используемой добавки, а также температурных условий их сжигания. Максимальными показателями эффективности характеризовались топливные пеллеты с добавкой картона. 8) Проведены испытания на пилотной установке на базе университета по сжиганию брикетированного и пеллетированного топлива. Регистрировались максимальные и средние температуры в камере сгорания, состав дымовых газов и зольного остатка. Наибольшие температуры в камере сгорания регистрировались при горении пеллет без добавок. Пеллеты с добавками картона и пластика, а также их смеси, характеризовались большей средней температурой в камере сгорания. Учитывая незначительные изменения максимальных (не более 4 °С) и средних (не более 5 °С) температур, можно говорить об эффективном замещении доли опилок на отходы в составе пеллет без значительных изменений температурного режима объекта генерации энергии. Состав дымовых газов при проведении испытаний по сжиганию исследуемых пеллет различался в пределах 5–12%, что обосновывает целесообразность утилизации разных типов отходов в составе пеллет. Анализ зольного остатка показал, что зола после сжигания древесных пеллет без добавок содержит больше соединений железа и кремния, чем топливо из опилок с добавками картона и пластика. Зола, образованная при горении пеллет с картоном, содержала больше соединений щелочноземельных металлов (CaO и MgO), которые могли катализировать процесс горения и взаимодействовать с оксидами серы и удержанием последних в зольном остатке. Результаты, полученные при сжигании пеллет в пилотной камере сгорания, целесообразно использовать для обоснования возможности вовлечения отходов в состав пеллет без увеличения нагрузки на окружающую среду. 9) Результаты исследований иллюстрируют большие перспективы вовлечения многочисленных отходов в топливно-энергетический цикл. Комплекс установленных характеристик необходим для разработки конкретных практических решений и проведения более масштабных экспериментов. Результаты научного проекта полезны и представляют интерес для преодоления недостатка знаний в области энергетического использования пеллетированного и брикетированного топлива из индустриальных, сельскохозяйственных и коммунальных отходов.