Экоэнергетика превращает отходы в ценное сырье

Российский научный фонд подвел итоги трех грантовых конкурсов по президентской программе исследовательских проектов. В Томском политехническом университете поддержку получили 22 проекта на общую сумму 174 млн рублей на три года. Результат ТПУ по этим трем конкурсам – второй в стране и лучший среди нестоличных вузов. Одним из грантополучателей РНФ стал Кирилл Ларионов, доцент НОЦ И. Н. Бутакова с работой «Исследование механизма и теплофизических закономерностей процесса горения углей и коксов с каталитически активными добавками оксидов и солей переходных металлов». Это далеко не первое достижение в «портфолио» 31-летнего ученого. Его научные интересы лежат в области газификации твердых топлив, а это весьма перспективное и трендовое направление в современной энергетике. Как и вся экоэнергетика в целом.

От опилок до угольной пыли

Буквально пару недель назад на сайте ТПУ прошла информация с броским заголовком: «Ученые ТПУ разработали технологию получения водорода из твердых отходов – опилок, шлама и резины». Ноу-хау политехников позволяет из твердых отходов – древесных опилок, угольной пыли, шлама, старых покрышек – получать синтез-газ с высоким (от 20 до 40%) содержанием водорода. Особенность технологии в том, что из отходов получается не один полезный продукт, а сразу три. При переработке выделяется минимальный объем СО2 – не более 5% от общего объема синтез-газа. В перспективе ученые рассчитывают свести это значение к нулю и найти наиболее эффективный способ выделения чистого водорода из смеси.

В прилагающемся к тексту ролике из YouTube Кирилл Ларионов рассказывает о достигнутых успехах, демонстрируя созданную на базе научно-исследовательского центра «Экоэнергетика 4.0» Инженерной школы энергетики линейку установок, которая позволяет работать с разными объемами исходного продукта – от нескольких граммов до 20 килограммов. А также – стенд комплексных испытаний для отработки технологии на базе томской ТЭЦ-3. Здесь можно работать уже с объемом исходного продукта (отходов угля) 4 тонны в час. В основе технологии лежит метод паровой термической конверсии. Исходный продукт подвергается воздействию пара при высоких температурах – от 500 до 1 200 градусов Цельсия в зависимости от материала.

Рассказ молодого ученого комментирует руководитель проекта заместитель директора по развитию Инженерной школы энергетики ТПУ Владимир Губин:

– Глобальная цель, которую мы преследуем в этом и в других наших исследованиях, – найти реально работающие способы, которые из никому не нужных отходов, никак не используемых в энергетике, позволят получать высокомаржинальные продукты, причем максимально экологично. Мы ставим задачу не утилизации, а переработки отходов.

– Российский научный фонд – самый крупный в стране национальный фонд, занимающийся поддержкой ученых. За все время Томский политех выиграл 138 грантов РНФ. И сейчас у нас беспрецедентное соотношение заявок и побед: каждая третья заявка вуза вы­игрывает. На последние три конкурса для молодых ученых ТПУ подал 70 заявок, из них 22 победили. Это говорит в том числе и о хорошей репутации молодых кадров ТПУ.

Мехман Юсубов,
и. о. проректора ТПУ по науке

Ни дна ни покрышки

В частности, речь идет о переработке покрышек – весьма резонансном проекте, завершенном этой весной.

– По самым скромным оценкам, каждый год в России выбрасывается около миллиона тонн покрышек, в мире – около миллиарда тонн. Часть просто остается на свалках, где даже под действием обычного солнечного света покрышки выделяют токсичные вещества, часть сжигается со значительным объемом вредных выбросов, еще 30 процентов перерабатываются в крошку. Мы к покрышкам относимся не как к мусору, а как к источнику полезных для промышленности продуктов. И мы целенаправленно искали методы, позволяющие перерабатывать покрышки с максимальной пользой – экономической и экологической, – говорит Владимир Губин.

Созданная в НИЦ «Экоэнергетика 4.0» экспериментальная установка под действием перегретого водяного пара разлагает мелкую резиновую крошку из покрышек на полезные продукты. В частности, выделяются жидкие углеводороды – мазут.

– Тема переработки покрышек развивается в разных странах, лидеры в этом плане – США и Китай. Обычно для переработки используется метод пиролиза. Это термическое разложение продукта. Процесс протекает в безвоздушной среде. В России есть несколько малотоннажных производств, занимающихся переработкой покрышек этим методом, однако они дают относительно небольшие объемы продукции. Мы же предложили использовать метод паровой газификации. Этот метод и ряд наших инженерных решений позволили получать продукты переработки более высокого качества в экологически безопасном режиме, – поясняет Кирилл Ларионов.

Помимо мазута технология также позволяет одновременно получать газ, который можно возвращать в технологический цикл, и технический углерод в виде мелкодисперсного порошка. Его можно использовать, например, в материалах для дорожного покрытия. Или вновь пустить на покрышки.

– При этом наш продукт морозостойкий: в нем содержится легкий углеводород, поэтому он не замерзает при температуре минус 50 градусов по Цельсию, то есть может работать даже в Арк­тике. Плюс он не вязкий, и, в отличие от обычного мазута, его не надо растапливать, что экономит энергию, – добавляет ученый.

Как по маслу

Еще одно исследование томских политехников вызвало интерес на международном уровне – в апреле нынешнего года его результаты были опубликованы в International Journal of Energy Research. Речь идет о способе экологически безопасно утилизировать один из продуктов переработки отходов лесной промышленности – «балластовую воду».

Перспективный способ переработки древесных отходов – пиролиз (высокотемпературное разложение в бескислородной среде). К продуктам пиролиза относятся древесный полукокс, горючий газ и пиролизное масло.

– Масло содержит пирогенетическую «балластовую воду», которая сильно снижает его энергетическую ценность. Воду необходимо удалять, но утилизировать ее простыми способами (например, слить в канализацию) нельзя, так как она может нанести ущерб окружающей среде. Однако в ней содержатся углеводороды, поэтому ее можно использовать в качестве полезного сырья, – утверждает доцент Ларионов и предлагает использовать пирогенетическую воду в качестве жидкофазной компоненты водоугольного топлива. Это жидкое композиционное топливо, в состав которого могут входить разные горючие компоненты, например низкосортные угли, отходы углеобогащения, жидкие горючие компоненты, твердые бытовые отходы.

– В результате нашего исследования было установлено, что использование пирогенетической воды способствовало повышению теплоты сгорания водоугольного топлива на 2.1 МДж/кг, реакционной способности топлива, изменению характера процесса его горения, а также снижению количества образующихся оксидов азота в газофазных продуктах горения, – рассказывает Ларионов.

Также авторы исследования отмечают, что в результате повышения теплоты сгорания водоугольного топлива возможно понизить расход ископаемого топлива на 15–25% в зависимости от его типа и технологического процесса пиролиза. Это потенциально позволяет повысить ресурсоэффективность технологии.

* * *

Ну и в качестве вишенки на торте. Недавно высокорейтинговый Journal of Solid State Chemistry (кластер «Устойчивая энергетика») опубликовал статью «Механизм формирования ZrN при горении циркония, диоксида циркония и иттрия в воздушной среде», одним из авторов которой является Кирилл Ларионов. То есть это как раз о тех самых переходных металлах. Тема, как понятно даже прочно забывшим школьный курс химии, имеет самое непосредственное отношение к гранту РФН.

Автор: Майя Бабанская