Исследователи ТПУ ищут способ, как из местного торфа, отрубей, соломы и скорлупы кедровых орехов сделать экологичное топливо, сорбенты и стройматериалы

| 828

В Томском политехническом университете подвели итоги конкурса «Постдок ТПУ как аналог докторантуры», созданный для поддержки перспективных проектов молодых кандидатов наук. Проекты получают финансирование из средств Программы повышения конкурентоспособности ТПУ. Одним из победителей конкурса стал доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Роман Табакаев. Его научный коллектив, состоящий как из студентов и аспирантов, так и из сотрудников университета, получил поддержку на четыре года для разработки ресурсоэффективных технологий пиролиза биомассы в энергетически ценные продукты для экологически чистой энергетики.

Фото: Роман Табакаев

Выгодно или невыгодно?

Пиролиз представляет собой процесс термического разложения органических веществ в бескислородной среде. Группа Романа Табакаева проводит исследования биомассы, в данном случае это торф, солома, несколько видов древесных отходов, скорлупа кедровых орехов и отруби. В результате термической переработки этих видов биомассы образуются энергетические ценные продукты: смола, твердый углеродистый остаток и горючий газ. Это экологически чистые варианты традиционного углеводородного топлива, используемого сегодня в энергетике, — нефти, природного газа и угля.

«Несмотря на то что пиролиз твердого топлива изучается уже на протяжении достаточно долгого времени, до сих пор остаются “белые пятна” в имеющихся о нем знаниях. Это объясняется сложностью и уникальностью состава различных твердых топлив, в особенности таких молодых, как биомасса, и зависимостью от большого количества факторов осуществления самого процесса пиролиза», — говорит Роман Табакаев.

Более того, в современной науке вопрос о том, насколько пиролиз — энергозатратная технология, до сих пор остается дискуссионным. И у политехников есть своя точка зрения на этот счет, подкрепленная уже проведенными исследованиями, результаты которых опубликованы в ряде журналов, например, Waste and Biomass Valorization и Journal of Analytical and Applied Pyrolysis.

«Одни ученые считают, что пиролиз — экономически невыгодная технология, требующая значительных энергетических затрат. Другие, мы к ним причисляем и себя, утверждают, что пиролиз наоборот протекает с выделением тепла. Достаточно лишь нагреть исходный продукт до определенной температуры, а дальше процесс идет в автотермическом режиме, за счет собственного тепловыделения.

Именно это и доказывают уже проведенные нами исследования и эксперименты. Например, при нагреве соломы до 360 градусов по Цельсию, мы останавливаем нагрев, а температура поднимается в авторежиме до 430 градусов», — рассказывает Роман Табакаев.  

Одно из направлений масштабного исследования группы — собственно разработка технологий получения энергетически ценных твердых, жидких и газообразных продуктов именно в автотермическом режиме, которые позволят разрушить миф об энергозатратности пиролиза.

Фото: примеры видов биомассы, с которыми работает группа Табакаева: (слева направо) скорлупа кедрового ореха, торф с Васюганского болота, солома, торф с месторождения Суховское, отруби и опилки. 

Новый взгляд на высокозольное сырье   

Еще одно направление исследований коллектива — разработка методики комплексного изучения минеральной части биомассы на основе предварительного низкотемпературного обезуглероживания. Под это направление Российский фонд фундаментальных исследований выделил поддержку по конкурсу «Мой первый грант» (18-38-00648).

«В биомассе содержится совсем небольшой процент минеральных веществ, буквально 3-6%. Однако даже столь незначительное содержание приводит к выходу из строя энергетического оборудования буквально через несколько лет после пуска котельной. Например, отруби являются перспективным видом биомассы за счет высокой теплоты сгорания и низкой зольности, однако при сжигании происходит загрязнение поверхностей топливосжигающего оборудования. В дальнейшем это приводит к снижению КПД и его выходу из строя», — поясняет ученый.

Зная состав минеральной части биомассы, исследователи могут найти ей применение.

«Например, томский торф является высокозольным, то есть при его сжигании выделяется порядка 20-30% золы от исходной массы. Вместо того чтобы складировать золу, ее можно использовать.

Например, в составе твердого углеродистого остатка, рассматриваемого в качестве сорбента, она может использоваться для очистки дымовых газов. Для проверки этой гипотезы нашим коллективом ведутся исследования по изучению сорбционных свойств углеродистого остатка, полученного в различных режимах пиролиза», — говорит руководитель проекта.

Фото: торф с месторождения Аркадьево в Томской области

Для сорбирования COиз дымовых газов, выделяемых тепловыми электростанциями, политехники предлагают использовать многослойный сорбент, полученный из нескольких типов биомассы, например, торфа и соломы, при разных режимах пиролиза.

«Мы предполагаем и пытаемся подтвердить нашу идею экспериментально, что сорбенты из нескольких типов биомассы, полученные в различных режимах пиролиза (медленный и быстрый вид), позволят улавливать не только СО2, но и другие токсичные элементы, например, оксиды азота. Для этого необходимо оставить в части сорбента небольшой объем деструктированной органики, способной связывать молекулы азота», — говорит Роман Табакаев.

Биомасса для строительства

Также политехники рассматривают переработанную термически биомассу как строительный материал:

«Сейчас мы работаем с отрубями и соломой. В лаборатории мы при помощи термического прессования этих видов биомассы при температуре 140°С получаем образцы твердого и прочного материала.  При этом содержащиеся в биомассе вещества сами выступают в качестве связующего, обеспечивая получаемым материалам достаточно высокую прочность.

Полученные образцы из прессованных отрубей способны выдерживать нагрузку до 35 000 000 Па (паскалей — ред.), обладая при этом теплопроводностью сравнимой с показателями древесины».

Фото: образец блока, получаемого политехниками из отрубей.

Персоны