Ученые ТПУ нашли способ снижения энергозатрат при переработке отходов угледобычи
Энергетики Томского политехнического университета (ТПУ) предложили усовершенствованный способ переработки отходов угледобычи методом микроволнового пиролиза, который позволяет ускорить процесс переработки и сократить при этом энергозатраты на 47 %. Таких показателей удалось достичь за счет добавления к отходам биомассы. В будущем предложенный способ поможет создать экономически выгодную и экологичную технологию утилизации различных видов промышленных отходов.
Микроволновой пиролиз — один из перспективных методов переработки различного вида органических отходов. Он работает по принципу обычной микроволновой печи: отходы нагреваются внутри установки за счет СВЧ-излучения. Однако для некоторых видов сырья такой метод энергозатратен и требует много времени. Для ускорения процесса пиролиза традиционно используют дорогостоящие каталитические добавки и металлы-поглотители.
Ученые Томского политеха изучили особенности взаимодействия различных видов органического сырья с микроволновым излучением и предложили альтернативный способ ускорения переработки отходов (каменноугольного штыба) с помощью органических добавок — скорлупы кедрового ореха и коровьего навоза.
«Мы нашли количественную связь между долей жидких продуктов пиролиза и длительностью самого процесса. На основе этих данных мы создали смеси органического сырья, в которых один из компонентов с высоким выходом жидких продуктов выступает в качестве катализатора процесса переработки. Такая добавка не только ускоряет нагрев и повышает КПД переработки, но и снижает общие энергозатраты на пиролиз», — рассказал один из авторов разработки, ведущий научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Табакаев.
Готовые смеси перед утилизацией ученые исследовали методом XRF-анализа и измеряли их диэлектрические свойства для оценки адсорбции микроволнового излучения. Далее их испытывали на лабораторной установке микроволнового пиролиза, параллельно фиксируя длительность процесса, количество получаемых газовых и жидких продуктов реакции. Эти данные легли в основу математической модели.
Результаты исследований показали, что добавление 10 % навоза животных к каменноугольному штыбу ускоряет процесс пиролиза практически в два раза. При этом сокращается и продолжительность утилизации более чем на 8 %. Добавление скорлупы кедровых орехов также способствовало сокращению времени инициирования и продолжительности процесса: например, 10 % добавки сокращает энергозатраты на 47,5 % и продолжительность на 9,9 %.
«Обнаруженные результаты демонстрируют высокую перспективность в части практического использования. Самым очевидным является возможность создания смесевых композиций, обеспечивающих получения ценных вторичных продуктов пиролиза при меньших энергозатратах на реализацию процесса. Также следует отметить возможность вовлечения органических отходов крупных производств, которые могут послужить катализаторами СВЧ-пиролиза, и утилизация которых традиционными методами представляет ресурсозатратной. Это может способствовать их полезной переработке и созданию технологий замкнутого цикла», — отметил Роман Табакаев.
Для развития данного направления и доведения его до стадии практического внедрения в ТПУ создана установка производительностью до 20 кг в сутки.
Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России в рамках госзадания и гранта Российского научного фонда.