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

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 проекта 22-19-00410

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

Руководитель Табакаев Роман Борисович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

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 слова энергетика, 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».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.3390/en15197118

2. 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)
10.21684/2411-7978-2022-8-3-23-43

3. 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)
10.1134/S0040601523020039

4. 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)
10.18799/24131830/2022/12/3789

5. 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)
10.1007/s13399-023-04686-9

6. 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)

7. 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)
10.1016/j.jaap.2023.106264

8. Калинич И.К., Астафьев А.В., Мостовщиков А.В., Табакаев Р.Б. Влияние выхода жидких продуктов на длительность процесса СВЧ-пиролиза Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т. 335. – №12 (год публикации - 2024)

9. Ибраева К., Астафьев А., Димитрюк И., Табакаев Р., Калинич И., Шаненков И. Comparative analysis of conventional and microwave pyrolysis of raw materials with different degree of metamorphism Energy Conversion and Management, Vol. 301, art.no 118067 (год публикации - 2024)
10.1016/j.enconman.2024.118067

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Целью третьего года выполнения проекта являлись разработка технического решения по СВЧ-переработке био-угольных композиций производительностью 1 кг/ч и его экспериментальная апробация. В ходе выполнения проекта актуализирована методика исследования и экспериментальная база с учетом результатов первого и второго этапов НИР, разработано техническое решение СВЧ-переработки био-угольных композиций (произведен конструкторский расчет и подготовлена конструкторская документация), позволяющий перерабатывать топливо производительностью 1 кг/ч, изготовлен и произведена наладка экспериментального образца установки СВЧ-переработки, на котором проведены исследования по СВЧ-переработке исходного сырья (измерена мощность поглощения излучения, состав получаемых газов) и био-угольных топливных композиций, сделан анализ характеристик получаемого при этом твердого углеродистого остатка. Проведено моделирование реактора экспериментального образца установки СВЧ-пиролиза и осуществлено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными. Разработана модель взаимодействия СВЧ-излучения с исходными компонентами, промежуточными и конечными продуктами СВЧ-пиролиза, микроволновыми поглотителями, сделаны предположения о механизме инициации и протекания процесса пиролиза органического сырья под воздействием СВЧ-излучения. Кроме того, проведены отдельные экспериментальные исследования по СВЧ-переработке жидких продуктов пиролиза. Ключевые моменты, полученные в рамках выполнения третьего года проекта: 1. Установлена зависимость длительности протекания процесса СВЧ-пиролиза от количества содержащихся в нём жидких продуктов. 2. Разработан и изготовлен экспериментальный образец установки СВЧ-переработки био-угольных композиций производительностью 1 кг/ч. Составлена заявка на выдачу патента РФ на изобретение «Устройство для СВЧ-пиролиза твёрдого органического сырья в водородсодержащий газ (варианты)» 3. На основе результатов экспериментальных исследований установлена величина поглощения СВЧ-излучения на 1 см толщины органического сырья (для 8 видов органических топлив разной степени метаморфизма), представлена оценка эффективности добавления биомассы и микроволновых поглотителей на основе железа и меди (их оксидов) при СВЧ-переработке каменного угля (время инициирования процесса, длительность его протекания, величина энергетических затрат). 4. Показана возможность СВЧ-переработки жидких продуктов пиролиза в твердый углеродистый остаток с низким содержанием золы (Ad=0,01 %) и серы (Sd=0,01 %), что открывает перспективы получения ценного для металлургической отрасли кокса. 5. С использованием программного пакета ANSYS FLUENT составлена математическая модель СВЧ-переработки твердого органического сырья в разработанном устройстве, которая верифицирована по результатам экспериментальных исследований. 6. Предложена модель взаимодействия СВЧ-излучения с исходными компонентами, промежуточными и конечными продуктами СВЧ-пиролиза, микроволновыми поглотителями. Полученные результаты апробированы на 5-х конференциях международного и всероссийского уровней; опубликовано 2 статьи в рецензируемых журналах: Energy Conversion and Management (IF 9.9, Q1) и Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов (Q3), подготовлена и направлена в журнал «Химия растительного сырья» статья Гайдабрус М.А., Упорова М.А., Табакаев Р.Б., Языков Н.А. «Каталитическое снижение выхода смолопродуктов при термической переработке биомассы в неподвижном слое». Информация о ходе выполнения проекта освещена на Новостном портале Тюменского государственного университета (В ТюмГУ сравнили традиционный и микроволновый пиролиз, https://www.utmn.ru/news/stories/nauka-i-innovatsii/1211970/).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Научно-технические основы СВЧ-переработки органического сырья, полученные в ходе выполнения проекта, могут быть использованы предприятиями угольно добывающей отрасли (термическое обогащение угля) и агропромышленными предприятиями (термическая утилизация побочных продуктов деятельности, в том числе отходов животноводства) с целью получения продукции с высокой добавочной стоимостью, например, кокса, биоугля, углеродного сорбента и др. Учитывая неблагоприятную внешнеэкономическую ситуацию, СВЧ-переработка угля представляется перспективным направлением для получения продукции экспортной направленности. Применение разработанных подходов к переработке высоковлажных отходов агропромышленного комплекса позволит переработать этот ресурс в биоуголь, используемый в качестве почвенного мелиоранта.