Пеллетированные и брикетированные топлива из индустриальных, сельскохозяйственных и коммунальных отходов

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 23-79-10098

НазваниеПеллетированные и брикетированные топлива из индустриальных, сельскохозяйственных и коммунальных отходов

Руководитель Няшина Галина Сергеевна, Кандидат технических наук

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

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова пеллеты, брикеты, отходы углеобогащения и нефтепереработки, биомасса, коммунальные отходы, сточные воды, иловые отложения, мультикритериальные модели

Код ГРНТИ44.09.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Несмотря на стремительное развитие альтернативных источников энергии, сжигание ископаемых топлив по-прежнему остается наиболее распространенным способом получения энергии. На сегодняшний день более 80% генерируемой энергии обеспечивается природным газом, углем и нефтепродуктами. При этом доля угля и других твердых топлив в частных домохозяйствах и малых котельных еще выше. Чаще всего в на этих объектах используются твердотопливные котельные агрегаты, работающие на угле или топливных брикетах/пеллетах, изготовленных из отходов деревообрабатывающей промышленности. При этом зачастую возникает проблема, связанная с относительно малой эффективностью используемых котлов, а также отсутствием мер по борьбе с загрязнением окружающей среды. Последствиями этого является высокий уровень выбросов опасных продуктов сгорания топлива. Другой проблемой использования твердых топлив является их транспортировка и хранение. В случае с угольными топливами ключевой проблемой является пыление, приводящее к загрязнению окружающей среды и повышению пожароопасности. Топливные пеллеты и брикеты склонны к потере прочности и высокому влагопоглощению, что осложняет их транспортировку и хранение. Ряд исследований, проведенных с различными по составу топливными пеллетами и брикетами, показывает, что для их создания можно использовать широкий перечень промышленных отходов. Исследования подтверждают, что замещение традиционных топлив композиционными пеллетами и брикетами позволяет добиться более высоких энергетических и экологических показателей, а при использовании различных групп отходов – еще и снизить стоимость топлива для конечного потребителя. В связи с этим целесообразным является исследование, направленное на создание высокоэффективного с точки зрения энергетических, экологических и эксплуатационных характеристик твердого топлива, предназначенного для использования в локальных котельных установках и частных домохозяйствах. Внедрение результатов исследования позволит расширить топливную базу для объектов энергетики, утилизировать накопившиеся объемы отходов, а также снизить выбросы опасных продуктов сгорания. В качестве топливных компонентов планируется использовать отходы углеобогатительной, нефтехимической, деревообрабатывающей, сельскохозяйственной и других отраслей. Для оценки эффективности исследуемых топлив будет использован многофакторный анализ, учитывающий энергетические, экологические, эксплуатационные и экономические показатели. Для определения компонентного состава топлива под определенные задачи будет создано программное обеспечение, учитывающее энергетические, экологические, эксплуатационные и экономические показатели большого числа перспективных компонентов и позволяющее подобрать индивидуальный состав топлива под нужды каждого конечного потребителя. Наличие индустриального партнера (ООО "Томские пеллеты"), заинтересованного в проведении данного исследования и готового осуществлять поддержку путем изготовления опытных образцов топлива и предоставления площадки для экспериментальных исследований на реальном котлоагрегате, также способствует успешному выполнению данного проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дорохов В.В., Няшина Г.С., Романов Д.С., Стрижак П.А. Combustion and mechanical properties of pellets from biomass and industrial waste Renewable Energy, Vol. 228, article number 120625 (год публикации - 2024)
10.1016/j.renene.2024.120625

2. К.Ю. Вершинина, В.В. Дорохов, Г.С. Няшина, Д.С. Романов Influence of Binders on the Properties of Pellets Based on Wood Waste Coke and Chemistry, Vol. 67, No. 2, Р. 104-111. (год публикации - 2024)
10.3103/S1068364X24701291

3. К.Ю. Вершинина, В.В. Дорохов, Г.С. Няшина, Д.С. Романов, В.В. Скорюпин, Д.К. Шведов Термическое разложение и горение композиционных пеллетированных топлив Горение и взрыв, Том 16, № 4, С. 90-99 (год публикации - 2023)
10.30826/CE23160408

4. Доррхов В.В., Няшина Г.С., Шведов Д.К., Стрижак П.А., Physical characteristics and combustion behavior of pellets from sawdust and refuse-derived fuel Elsevier, Fuel. V. 377. Article number 132810 (год публикации - 2024)
10.1016/j.fuel.2024.132810

5. Няшина Г.С., Дорохов В.В., Шведов Д.К., Стрижак П.А. Effects of the type and proportion of a binder on the quality and combustion of fuel pellets Biomass and Bioenergy, G.S. Nyashina, V.V. Dorokhov, D.K. Shvedov, P.A. Strizhak, Effects of the type and proportion of a binder on the quality and combustion of fuel pellets // Biomass and Bioenergy. V. 199. Article number 107934, doi.org/10.1016/j.biombioe.2025.107934. (год публикации - 2025)
10.1016/j.biombioe.2025.107934.

6. Няшина Г.С., Глушков Д.О., Стрижак П.А. Study of the influence of gas environment on thermal decomposition of composite biomass with varying temperature Biomass Conversion and Biorefinery, Nyashina, G., Glushkov, D. & Strizhak, P. Study of the influence of gas environment on thermal decomposition of composite biomass with varying temperature. Biomass Conv. Bioref. (2025). https://doi.org/10.1007/s13399-025-06573-x (год публикации - 2025)
10.1007/s13399-025-06573-x

7. Дорохов В.В., Няшина Г.С., Шведов Д.К. Исследование влияния давления прессования на эксплуатационные характеристики пеллет на основе отходов и бурого угля Кокс и химия, Дорохов В.В., Няшина Г.С., Шведов Д.К. Исследование влияния давления прессования на эксплуатационные характеристики пеллет на основе отходов и бурого угля // Кокс и химия. – 2025. – № 4. – С. 55-62. DOI 10.52351/00232815_2025_4_55 (год публикации - 2025)
10.52351/00232815_2025_4_55

8. Няшина Г.С., Дорохов В.В., Шведов Д.К., Стрижак П.А. Wood pellets with waste: energy, environmental and mechanical aspects Renewable Energy, G.S. Nyashina, V.V. Dorokhov, D.K. Shvedov, P.A. Strizhak, Wood pellets with waste: energy, environmental and mechanical aspects//Renewable Energy. 2025. V. 250. Article number 123269, doi.org/10.1016/j.renene.2025.123269. (год публикации - 2025)
10.1016/j.renene.2025.123269

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В течение второго года реализации проекта был выполнен полный объем запланированных работ, включающих лабораторные исследования, полевые испытания и разработка модулей программного комплекса. Выполняемая работа характеризуется новизной, поскольку ранее не проводилось комплексное исследование механических, эксплуатационных, энергетических и экологических характеристик композиционных пеллет и гранул, изготовленных из отходов различных отраслей промышленности. 1. Проведены лабораторные исследования характеристик процессов приготовления и сжигания композиционных пеллетированных топлив при варьировании доли основных и добавочных компонентов. Рассматривались древесные пеллеты, в которых доля компонентов из числа отходов варьировалась от 10 до 50 мас%. Выделены два наиболее перспективных компонента из группы сельскохозяйственных и бытовых отходов: солома и картон. Регистрировались прочностные характеристики, параметры зажигания и горения, а также проведен анализ кинетики горения композиционных пеллет на основе биомассы и отходов. Установлено, что применение картона и соломы в составе древесных пеллет в количестве 30 и 50 мас% способствовало росту плотности пеллет на величину до 15%. Выявлено, что для достижения максимальной ударопрочности и устойчивости пеллет к колебательным и вибрационным нагрузкам рекомендуется использовать композиции с картоном в количестве 30 и 50 мас%. Экспериментально доказано, что при сжигании смесевых пеллет снижались времена задержек зажигания на величину до 33% по сравнению с пеллетами без добавок. Совместное сжигание соломы и древесины привело к снижению выбросов СО2 и SO2 на 8-36% в сравнении с древесными пеллетами. Исследования влияния связывающих добавок (натрий-карбоксиметилцеллюлоза, подсолнечный жмых) показали, что добавка подсолнечного жмыха в составе пеллет на основе древесины и соломы способствовала росту плотности образцов на 2-8%. Добавка карбоксиметилцеллюлозы увеличила коэффициент ударопрочности и твердости пеллет на величину от 10 до 55% относительно пеллет без добавок. Концентрации оксидов серы уменьшились на 7-64 % при использовании связывающих добавок в процессе сжигания смесевых пеллет. Установлено, что добавка карбоксиметилцеллюлозы также привела к снижению выбросов оксидов азота на 15% для пеллет с картоном и соломой. Применение связывающей добавки в виде подсолнечного жмыха в составе пеллет на основе опилок и картона оказывало положительное влияние на времена задержки газофазного зажигания (времена снизились до 32%). 2. Продолжены испытания на пилотной установке по сжиганию гранулированного топлива на базе университета. На основе результатов лабораторных исследований выбирались 2 состава композиционных гранул: «70 мас% опилки, 30 мас% картон» и «70 мас% опилки, 30 мас% солома», результаты сжигания которых сравнивались с данными для древесных гранул без добавок. Установлено, что средняя температура в камере сгорания при сжигании пеллет с картоном и соломой была выше на 60 и 24 °С, соответственно, чем при сжигании древесных гранул без добавок. Полученный результат связан с большей плотностью образцов, и, как следствие, более длительной и равномерной стадией тления. Анализ состава дымовых газов показал, что пеллеты с картоном характеризовались повышенными концентрациями СО2 (до 27%) в виду высокого содержания целлюлозы в картоне. При этом выбросы SO2 были на 60%. По сравнению с древесными гранулами композиции с соломой характеризовались минимальными концентрациями оксидов серы (концентрации снизились на 78%). Выбросы оксидов азота при этом оказались на 20% выше. Сравнительный анализ данных показал, что установленные в лабораторных условиях закономерности и тенденции для пеллет сохраняются при сжигании гранул в пилотной установке. 3. Выполнено изготовление топливных гранул с применением стенда на основе промышленного гранулятора марки ГГД-НМ165-2-11-380. Гранулятор производил цилиндрические гранулы, диаметр которых составлял 10 мм, а длина варьировалась в диапазоне 15–20 мм. Для готовых гранул проводилась оценка эксплуатационных характеристик (плотность, твердость, прочность, гигроскопичность). Установлено, что замещение 30 мас% опилок на картон способствовало росту плотности гранулированного топлива на 7.5%. Испытание прочности пеллет показало, что у смесевых топлив устойчивость к ударным и вращательным воздействиям выше (96-98%), чем у древесных гранул без добавок (95%). Установлено, что показатель твердости для смесевых гранул с картоном превышал аналогичный показатель для древесных топлив в 4 раза. 4. Проведена многофакторная оценка перспектив использования топливных гранул и пеллет с учетом данных. Рассчитаны и проанализированы комплексные показатели эффективности композиционных пеллет, приготовленных на основе расширенной номенклатуры компонентов по совокупности механических, энергетических, экологических и экономических параметров. По результатам проведенного многофакторного анализа получено, что максимальными значениями комплексного показателя эффективности характеризовались смесевые пеллеты с картоном, массовая доля которого составляла 30 и 50 мас%. Значения комплексного показателя оказались выше на величину до 15% в сравнении с результатами, полученными для древесных пеллет без добавок. Показано, что значения показателя эффективности для пеллет, изготовленных в лабораторных условиях, и гранул, полученных с помощью гранулятора, оказались практически идентичными. Полученный результат свидетельствует о хорошей корреляции результатов лабораторных исследований и полевых испытаний. 5. Разработаны модули интеллектуального программного комплекса на основе многофакторного анализа. Первый модуль предназначался для работы с экспериментальными данными и включал в себя базу исходных данных и комплекс методов классификационного анализа данных. Второй интеллектуальный модуль использовался для ввода требуемых заказчиком характеристик пеллетированного топлива и выбора состава, удовлетворяющего заданным параметрам. Таким образом разработанный модуль автоматизирует процесс поиска оптимальных решений на основе множества параметров. 6. По результатам выполнения научных исследований опубликовано 5 статей (3 работы в изданиях 1 квартиля). Результаты исследований апробированы на 6 ведущих всероссийских и международных конференциях. 7. Результаты исследований иллюстрируют большие перспективы вовлечения 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 топлива из индустриальных, сельскохозяйственных и коммунальных отходов.

Публикации