Тема: ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПИРОЛИЗ ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ, ПРИГОТОВЛЕННЫХ ИЗ НИЗКОКАЛОРИЙНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ТОПЛИВ И МАСЕЛ

С каждым годом человечество потребляет все большее количество энергии [1, 2, 3]. С одной стороны, это ведет к развитию государств, промышленности [4], инфраструктуры и экономическому росту [5]. С другой стороны, рост потребления энергии влечет за собой ухудшение экологической ситуации по всему миру [6]. К росту потребления электроэнергии ведут несколько факторов: постоянно растущее население планеты, увеличение производственных мощностей и др. [7, 8, 9]. По данным [10] человечество с 1990 по 2008 года стало потреблять на 10 % больше электроэнергии на душу населения. А расход электроэнергии по регионам увеличился на 170 % на Ближнем Востоке, в Китае на 146 %, в Индии на 91 %, в Африке на 70 %, США на 20 %, Европейский Союз на 7 %, а мир в целом вырос на 39 % [10]. В России так же наблюдается существенный рост потребления энергии, в связи с растущим промышленным сектором, транспортной инфраструктурой и населением [1].
Самым востребованным источником электроэнергии является уголь [2]. Электростанции потребляют большое количество угля, в следствии чего происходит рост отходов производства электроэнергии и увеличение количества выбросов CO2 в атмосферу [11]. Еще одним негативным фактором сжигания угля является постоянно увеличивающиеся скопления золы и шламов [12]. Большой объем твердых отходов ежегодно попадает в биосферу, что наносит непоправимый урон экологии. Это может привести к глобальному изменению баланса в атмосфере планеты. В связи с этим по всему миру ведутся исследования по внедрению новых, экологически чистых технологий производства электроэнергии [13].
Одним из способов производить электроэнергию являются новые, экологически чистые технологии, основанные на ядерном синтезе [14] или возобновляемых источников энергии [13]. Доля атомной энергетики занимает 17 % в мировой энергетике [15]. На данный момент ядерная энергетика используется в 31 стране мира. Большая часть атомных станций находятся на территории стран Европы, Северной Америки, Китая и России. Мировым лидером по доле атомной энергетике в энергетической генерации сраны является Франция. На атомных станция Франции производится 72 % от общей генерации страны. В России доля атомной энергетике составляет около 19 %. В общей сложности в РФ введены в эксплуатацию 11 АЭС общей мощностью 30,3 ГВт. Серьезные аварии (Чернобыльская АЭС, АЭС Фокусима-1), а также дороговизна постройки станции заставили некоторые страны остановить свои ядерные программы [16].
В настоящий момент многие страны мира используют природный газ в качестве топлива на электростанциях. Строительство и модернизация имеющихся электростанций для работы на природном газе требует относительно не больших затрат. Также КПД станций, работающих на газе, составляет 55-60 %, в отличие от 32-34 % КПД станций, работающих на угле [17]. Газ является более чистым топливом, чем твердые топлива. При сгорании газа выделяется заметно меньшее количество углекислого газа. На современных электростанциях, работающих на газе количество CO2 попадающего в атмосферу сведено к минимуму. Следовательно, они оказывают значительно меньшее влияние на окружающую среду. Также газ обладает большей теплотой сгорания, по сравнению с углем. В конечном счете переход электростанций на газообразное топливо помогает снизить количество вредных выбросов в атмосферу на 50-70 %.
Однако, природный газ в недрах земли когда-нибудь закончится. По прогнозам запасов природного газа, разрабатываемых на данный момент, хватит приблизительно на 130 лет [18]. Также происходит постоянный рост технологий, что позволяет добывать газ, в ранее недоступных местах и находить новые, неизвестные ранее месторождения. Новые технологии позволили расширить область поиска новых месторождений, что дало возможность обновить текущие прогнозы. По ним запасов природного газа хватит примерно еще на 250 лет.
Параллельно с переходом на безуглеродное топливо идет разработка новых технологий возобновляемых источников энергии [19, 20]. В настоящий момент существуют солнечная энергетика, ветровая энергетика, геотермальная энергетика, биоэнергетика, гидроэнергетика и др. [21]. К росту доли возобновляемой энергетике привели масштабные программы в странах Европы, США, Китае, Японии и Австралии. Однако, альтернативная энергетика обладает рядом недостатков. Главным недостатком является зависимость от природных источников ВИЭ. Также затраты на передачу электроэнергии в сеть от источников генерации намного превышают затраты при передаче от традиционных источников электроэнергии.
Однако, самым популярным источником энергии остается сжигание угля [22]. В последние несколько десятилетий около 40 % электроэнергии вырабатываются на угольных электростанциях. Максимальная генерация электричества на угольных электростанциях была достигнута в 2014 году, а дальше началось снижение. Но вместе с большим производством электроэнергии последовало и огромное количество выбросов парниковых газов в атмосферу [23]. Международное сообщество приняло программы по сокращению вредных выбросов. В рамках этих программ ЕС и США стали закрывать часть своих электростанций и переходить на альтернативную энергетику [24]. Также, сокращение объемов добычи в Китае повлекло за собой рост цен на уголь.
Для удовлетворения растущего спроса на электроэнергию в энергетический цикл предлагается ввести новые виды топлива [25]. Мало востребованные и низкосортные топлива (бурый уголь, торф) становятся все более популярными энергетическими ресурсами [26]. Государства стараются развивать энергетику с опорой на местные ресурсы [27]. Поэтому огромные залежи торфа на территории России [28], а также малоиспользуемые бурые угли позволяют перекрыть потребности энергетики в ряде регионов [29]. Однако, введение в промышленность технологий сжигания таких топлив требует сильной модернизации действующего оборудования [30]. Проведение исследования для поиска иных механизмов и наилучших характеристик позволит осуществить широкую интеграцию таких топлив.
В данном исследовании проведен анализ научных публикаций за последние десять лет, который позволяет сделать вывод о разработке нескольких технологий для горения, газификации и пиролиза торфа и бурого угля [31, 32]. Прежде всего, акцент делается на разработке методов приготовления топлива и его последующего сжигания в котле с использованием композиционного топлива на основе торфа и угля, включающего различные виды масел в качестве жидкого компонента. [33]. Кроме того, были разработаны математические модели оценки различных характеристик процессов горения, газификации и пиролиза, включая их конверсию в генераторный газ с высокой теплотой сгорания [34]. В ряде работ предлагается добавлять к исходным топливам катализаторы [35], для увеличения скорости нагрева и продолжительности высокотемпературного окисления. Использование бурого угля и торфа в составе смеси с компонентом, позволяющим улучшить характеристики горения, позволяет расширить сферу применения таких топлив. Однако внедрение таких топлив требует серьезной модернизации действующих котлов. Для перестройки котлов потребуются существенные затраты, а для окупаемости может потребоваться достаточно длительное время [30]. В России достаточно популярным энергоресурсом является природный газ, следовательно, прямое сжигание торфа и бурого угля не выглядит привлекательным в текущих условиях.
Добавление в топливную смесь возобновляемых компонентов, таких как отработанные моторные масла и смеси растительных масел, позволяет сократить расход исчерпаемых ресурсов и повысить энергетические показатели смеси за счет высокой энергетики масел.
Достаточно удобным способом применения смесей на основе торфа и бурого угля в энергетике является их переработка в генераторный газ [36]. Такой подход позволяет получить газ, с достаточно высокой теплотой сгорания [37]. В дальнейшем этот газ может применяться в топках имеющихся газовых котлов. Наиболее популярными методами пиролиза твердых топлив на данный момент являются автотермические [38] методы, в которых за счет частичного сжигания топлива выделяется тепло, необходимое для пиролиза основной массы [39]. Однако, для повышения производительности процесса пиролиза при работе с низкокалорийными топливами могут применяться и аллотермические технологии, когда для нагрева топлива используется тепло от внешнего источника. Самым распространенным в мире источником относительно дешевого тепла, пригодного для подогрева топлива, является излучение Солнца, для использования которого можно применять солнечные концентраторы различной конструкции. Однако, процессы пиролиза смесей из низкокалорийных ископаемых топлив и различных масел под действием интенсивного стороннего нагрева исследованы недостаточно, как с точки зрения выбора оптимальных составов, так и в плане наиболее удобных режимов нагрева [40].
Цель диссертационной работы - выявление основных закономерностей физико-химических процессов при пиролизе топливных смесей, состоящих из горючего масла и низкокалорийных ископаемых топлив (торфа или бурого угля), под действием мощного светового потока с определением компонентного состава смеси и условий её пиролиза при которых обеспечивается максимальное соотношение между концентрациями горючих и негорючих газообразных продуктов пиролиза.
Достижение поставленной цели требовало решения задач:
1. Разработка экспериментальной методики пиролиза топливных смесей, на основе торфа или бурого угля с добавлением масла. Создание экспериментального стенда, планирование и проведение экспериментальных исследований.
2. Анализ закономерностей протекания процесса термического разложения топливных смесей, на основе торфа или бурого угля с добавлением масла, под действием мощного светового потока, определение минимальных значений интенсивности светового потока, при которых возможен пиролиз, оценка влияния интенсивности излучения на состав газовой смеси.
3. Установление составов топливных смесей, на основе торфа или бурого угля с добавлением масла, обеспечивающих наибольшее соотношение горючих и негорючих компонентов полученной смеси пиролизных газов.
4. Исследование термических свойств компонентов топливных смесей, а также готовых смесей, обеспечивающих максимальное производство горючих пиролизных газов.
5. Оценка удельных затрат энергии на пиролиз масло-торфяных и маслобуроугольных смесей под действием мощного светового потока.
Научная новизна диссертационной работы состоит в выявлении основных закономерностей физико-химических процессов, протекающих при пиролизе композиционных топлив на основе торфа и бурого угля с добавлением масла под воздействием светового потока высокой интенсивности.
Теоретическая значимость работы. Полученные результаты
экспериментальных исследований процессов пиролиза топливных смесей, состоящих из низкокалорийного твердого компонента и возобновляемого растительного масла, представляют новые знания об условиях и характеристиках процессов термического разложения топливных смесей. Установлены закономерности процессов термохимической конверсии в ходе аллотермическго нагрева поверхности топливной смеси. Показаны основные закономерности процессов образования генераторного газа. Показаны условия для проведения эффективного пиролиза.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе подходы и методики позволяют сформировать основные принципы для практической реализации процесса переработки низкосортных топлив с добавлением растительного компонента под действием светового потока высокой интенсивности. В работе выяснен уровень затрат энергии на пиролиз таких топлив, определены соотношения компонентов смесевых топлив, которые обеспечивают набольшее соотношение горючей и негорючей части полученной газовой смеси. А также проведена общая оценка энергетической эффективности процесса гелио- термального пиролиза масло-торфяных и масло-буроугольных смесей.
Методология и методы исследования. Для определения удельной теплоты сгорания использовался метод бомбовой калориметрии. Оценка характерных температур процесса пиролиза производилась при помощи тепловизоров PI1M и Testo 885-2. Оценка производительности процесса по массе использовались аналитические весы Vibra AF 225DRCE. Для анализа состава газообразных продуктов пиролиза использовались оптические и электрохимические датчики газоанализатора.
Положения, выносимые на защиту:
1. Смеси торфа и масла, а также смеси бурого угля и масла, содержащие более 30 мас. % низкокалорийного ископаемого топлива, обладают удельной теплотой сгорания, превышающей суммарную теплоту сгорания компонентов.
2. Наибольшее производство горючих газов происходит при пиролизе смесей из торфа и масла, а также смесей из бурого угля и масла, когда доля масла достигает 65 мас. % и 40 мас. % соответственно.
3. Пиролиз топливных смесей, содержащих 35 мас. % торфа и 65 мас. % масла, а также 60 мас. % бурого угля и 40 мас. % масла, возможен только в условиях нагрева высокой интенсивности (более 300 Вт/см2).
Степень достоверности результатов исследования. Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов исследований с известными результатами, опубликованными другими авторами. Использованием в процессе исследований современных высокоточных средств измерений. Оценкой систематических и случайных погрешностей проведенных измерений.
Связь работы с научными грантами. Диссертационные исследования выполнены в рамках исследовательской программы госзадания «Наука» проект № 2.0001.ГЗБ.2023, гранта Российского фонда фундаментальных исследований «Оценка жизненного цикла снижения выбросов CO2 путем энергоэффективного пиролиза и газификации композиционной биомассы» (№ 19-53-80019), программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета Приоритет-2030, № Приоритет-2030-ЭБ-018-202- 2024 (соглашение № 075-15-2024-202 от 06.02.2024) «Мультитопливные технологии замкнутого цикла для энергоустановок и двигателей» (номер госрегисирации ЕГИСУ НИОКТР ЦИТиС: 124071600016-2), «Разработка оптимизированных методик конверсии горючих промышленных от-ходов для создания альтернативных топлив» (ВИУ-ИШФВП-299/2018), «Разработка экологически выгодных аллотермических методик утилизации горючих от-ходов углеобогащения с попутной выработкой тепловой энергии» (ВИУ-ИШФВП- 197/2019).
Личный вклад заключается в планировании, подготовке и проведении экспериментальных исследований; обработки экспериментальных данных, построение зависимостей и анализ полученных результатов; оценке систематических и случайных погрешностей; формулировании практических рекомендаций; апробации результатов на научных конференциях и их опубликовании в рецензируемых периодических научных изданиях; формулировке основных защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на Восемнадцатой всероссийской (десятой международной) научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2023» (г. Иваново); XXVII Международном молодежном научного симпозиуме имени академика М.А. Усова, посвященного 160-летию со дня рождения академика В.А. Обручева и 140-летию академика М.А. Усова, основателям Сибирской горно-геологической школы (г. Томск); Семнадцатой всероссийской (девятой международной) научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия- 2022» (г. Иваново); XI Всероссийской конференции с международным участием Горение топлив: теория, эксперимент, приложения (г. Новосибирск); XXV Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященной 120-летию горно-геологического образования в Сибири, 125-летию со дня основания Томского политехнического университета (г. Томск).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 5 научных трудах, включая 1 работу в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК РФ (Химия твердого топлива), 4 статьи в международных журналах, индексируемых в SCOPUS (Applied Sciences, Chemical Engineering and Processing, Ugol).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 124 страницах, состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 127 наименований, содержит 9 таблиц, 30 рисунков.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, а также практическая и теоретическая значимость работы, научная новизна, достоверность результатов и личный вклад автора.
В первой главе Рассмотрена динамика энергопотребления в мире, ее причины и ближайшие перспективы. Проанализированы наиболее популярные виды топлива, а также дана оценка их потребления и запасов в России и в мире. Приведены положительные стороны и недостатки наиболее популярных методик переработки различных видов топлива в энергию. Проведен анализ литературы по тематике диссертации, рассмотрены работы отечественных и зарубежных авторов.
Во второй главе описаны разработанные экспериментальные методики и конструкции лабораторных стендов для проведения исследований по тематике диссертации. Приведено описание методов оценки погрешностей результатов измерений.
В третьей главе приведены результаты исследований процесса пиролиза смесевого топлива на основе торфа. Исследования проводились для смесей с различным содержанием масла в составе смесевого топлива и с различной интенсивностью нагрева. Проведено исследование термических свойств исходных компонентов топлива и оптимального состава смеси. Были определены основные характерные температуры протекания процесса, производительность газогенерации и состав полученной газовой смеси в зависимости от концентрации масла и интенсивности светового потока.
В четвертой главе рассмотрены особенности процесса пиролиза смесевого топлива на основе бурого угля. В ходе исследования варьировалось содержание масла в составе смеси, а также интенсивности подводимого теплового потока галогенной лампы. Представлены и проанализированы результаты исследований термодинамических характеристик исходных топлив, а также оптимального состава. Были определены основные характерные температуры протекания процесса, производительность газогенерации и состав полученной газовой смеси в зависимости от концентрации масла и интенсивности светового потока.
В пятой главе предложен способ практического применения методики пиролиза, описанной в диссертационной работе. Приведена оценка энергетического баланса пиролиза композиционных топлив, используемых в работе, а также экономического эффекта.
В заключении представлены основные результаты исследований и выводы, сформулированные в ходе написания диссертационной работы.
Купить

1. Применение источников видимого светового излучения, в том числе некогерентного, для энергетической накачки процесса пиролиза смесевых топлив, приготовленных из рапсового масла и торфа или бурого угля, позволяет запустить и поддерживать процесс пиролиза при использовании световых потоков с интенсивностью около 600-800 Вт/см2, невозможных при использовании традиционных методов нагрева.
2. Установлены основные параметры (удельные затраты энергии, характерные температуры, производительность газогенерации и состав газовой смеси) процесса пиролиза для смесевых топлив на основе торфа или бурого угля с добавлением рапсового масла.
3. Для эффективного термического разложения жирных кислот, содержащихся в смесевых топливах на основе торфа и бурого угля с добавлением значительного количества рапсового масла, необходимо в течение нескольких секунд довести температуру топлива до величин, превышающих 600 °С за короткий промежуток времени.
4. Смеси, приготовленные на основе торфа, и содержащие ~65 мас. % рапсового масла, а также смеси, приготовленные на основе бурого угля, и содержащие ~40 мас. % рапсового масла, ходе пиролиза позволяют максимально задействовать тепловой эффект окисления топлива и получить генераторный газ, содержащий высокие концентрации горючих компонентов (>50 %).
5. Смеси, приготовленные на основе торфа, и содержащие ~65 мас. % рапсового масла, а также смеси, приготовленные на основе бурого угля, и содержащие ~40 мас. % рапсового масла, имеют удельную теплоту сгорания сопоставимую с теплотой сгорания масла, заметно превышающую сумму теплот сгорания компонентов смеси по отдельности.
6. Пиролиз одного килограмма смеси торфа и рапсового масла (65 мас. %) требует подвода ~20 МДж энергии со стороны источника света. Аналогично, для пиролиза одного килограмма смеси бурого угля и рапсового масла (40 мас. %) необходимо подвести ~10 МДж энергии.

Купить