Ученые нашли способ улучшить технологию изготовления альтернативного топлива из древесных отходов

На фото: научная группа в процессе работы.

Ученые выяснили, как форма частиц древесной биомассы — куб, параллелепипед или пластина — влияет на процесс их воспламенения и горения. Это единственное в России подобное исследование в области возобновляемой энергетики. Полученные данные в перспективе помогут создать энергоэффективную технологию сжигания альтернативного топлива, а также разрабатывать камеры сгорания котлов с более продуктивными показателями. Над исследованием работали сотрудники подведомственного Минобрнауки России Томского политехнического университета (ТПУ).

Активное внедрение возобновляемых источников энергии в общий баланс тепло- и электрогенерации — актуальный процесс, которому уделяют большое внимание во всем мире. При этом в числе наиболее перспективных энергоносителей рассматривается древесная биомасса. Она образуется при лесопилении и деревообработке и представляет собой фрагменты разных размеров и форм. Именно эти две характеристики древесной биомассы влияют на условия ее воспламенения.

Ученые ТПУ изучили процессы зажигания частиц древесины разных форм и размеров.

«В качестве материала был выбран распространенный в Сибирском регионе кедр. Это дерево отвечает главным технологическим требованиям биотоплива — у него высокая теплота сгорания и большое содержание горючих летучих газов, что улучшает процесс зажигания. Для эксперимента мы использовали частицы одинакового объема, но трех разных конфигураций — прямоугольный параллелепипед, куб и пластина. Это самые типичные характерные формы фрагментов биомассы», — рассказывает ассистент Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ, кандидат технических наук Жанна Косторева.

Комплекс исследований проводился на экспериментальном стенде. В специальной камере сгорания томские инженеры создавали условия, соответствующие топочным устройствам котлов тепловых электростанций. Процессы нагрева и зажигания они регистрировали с помощью высокоскоростной видеокамеры. После этого ученые анализировали их по полученным кадрам.

«В ходе экспериментов были обнаружены любопытные зависимости. При увеличении характерного размера частиц древесной биомассы, выполненных в виде прямоугольного параллелепипеда, сначала времена задержки зажигания растут (что является очевидным следствием), но далее при переходе определенного порогового значения характерного размера частицы времена начинают уменьшаться. Это нетривиальные результаты с точки зрения классической теории процессов зажигания конденсированных сред, и он установлен впервые. Нам предстоит определить причины такого явления», — комментирует руководитель проекта, доцент Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ, доктор технических наук Семен Сыродой.

На фото: образцы топлива, выполненные в форме куба.

Также авторы выяснили, что увеличение размера кубических частиц древесины не влияет на динамику сгорания. Это говорит об отсутствии необходимости дробить биомассу до ультрамелкого состояния, что дает меньшие энергетические и экономические затраты на механическую подготовку топлива.

Кроме того, удалось открыть, что при равных массах частицы в форме пластины воспламеняются значительно быстрее, чем частицы, выполненные в форме куба и прямоугольного параллелепипеда.

В дальнейшем политехники хотят разработать полностью автономную и замкнутую математическую модель процесса воспламенения с учетом реальной конфигурации топливных частиц. В планах также проанализировать влияние влажности древесины на характеристики зажигания и горения.

Еще один этап исследования будет посвящен определению влияния формы частиц на интенсивность образования антропогенных продуктов горения — оксиды серы и азота, а также диоксид углерода.

Исследование прошло при поддержке Российского научного фонда в рамках гранта 18-79-10015-П, его результаты опубликованы в одном из международных научных изданий.