Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основной задачей первого этапа НИР являлось комплексное изучение объекта исследования и разработка методической и лабораторной базы для исследований 2-го этапа. В качестве объекта исследования рассмотрены несколько видов биомассы различного происхождения: солома, отходы зернопереработки (пшеничные отруби), скорлупа кедровых орехов, сосновые опилки, щепа из различных пород древесины, низинный торф (месторождения Суховское и Аркадьевское), а также проба, отобранная вблизи Томска. В ходе реализации 1-го этапа НИР выполнены следующие работы. 1. Разработаны методики исследования и экспериментальная база. 2. Изучены характеристики исходного сырья. 3. Изготовлены экспериментальные стенды термического преобразования биомассы. 4. Проведены физические эксперименты на разработанном стенде по получению продуктов энергетического назначения (высококалорийного газа и углеродного остатка). 5. Изучены характеристики и текстура полученных продуктов. 6. Изучены тепловые эффекты, наблюдаемые при термическом преобразовании биомассы. 7. Составлены материальные и тепловые балансы термического преобразования биомассы. 8. Проанализированы результаты исследования. 9. Сделана оценка соответствия полученных результатов запланированным на стадии написания заявки. 10. Составлена отчетная документация и опубликованы результаты 1-го года НИР, включая их апробацию при выступлении на всероссийских и международных конференциях. В результате выполнения 1-го года исследования достигнуты следующие научные результаты. 1. Изучены теплотехнические и теплофизические характеристики соломы, пшеничных отрубей, щепы из различных пород древесины, сосновых опилок, скорлупы кедровых орехов, трех проб торфа (околотомского происхождения, с месторождений Суховское и аркадьевское), включающие зольность, выход летучих, теплоту сгорания, элементный состав, истинные теплоемкость и теплопроводность, температуропроводность. Особое внимание уделено изучению минеральной части: исходное сырье исследовано ренгеновскими методами (рентгенофлуоресцентный и рентгенофазовый анализы), проведено седиментационное разделение в жидкостях различной плотности для выделения из исходных проб высокоминерализированных фракций (для торфа – свыше 1800 кг/м3, для остальных проб – свыше 1450 кг/м3), определены плавкостные характеристики зольных остатков от сжигания биомассы. Отмечено, что из-за высокого содержания калия в составе минеральной части пшеничные отруби начинают спекаться уже при температурах свыше 675 ⁰С. При этом определяющим фактором спекания является соотношение Са/К. При исследовании торфа установлено, что рассматриваемые пробы относятся к высокозольным топливам (зольность в пересчете на сухую массу составляет 22,8-32,6%), основными компонентами минеральной части являются карбонат кальция и оксид кремния. Учитывая низкое соотношение Са/К в пшеничных отрубях, приводящее к шлакованию, и высокую зольность торфа, состоящую из карбоната кальция и кварца, исследовано совместное сжигание этих топлив в виде топливной композиции. Экспериментально установлено, что использование топливной композиции на основе отрубей и торфа позволяет получить не спёкшийся порошкообразный зольный остаток при доле торфа 5% мас. и более. 2. Изготовлено 3 экспериментальных стенда: лабораторная установка согласно ISO 647-74, установка быстрого пиролиза биомассы и огневой экспериментальный стенд по сжиганию топливных композиций. На лабораторной установке, изготовленной согласно рекомендациям ISO 647-74, проведены эксперименты по термической переработке исследуемой биомассы, по результатам которых: составлены материальные и тепловые балансы; получены жидкие, твердые и газообразные продукты, а также изучены их характеристики. Эти результаты в совокупности с данными дифференциального термического анализа в аналогичных эксперименту условиях позволили оценить возможность автотермического протекания термопереработки. Максимальные значения влажности, обеспечивающие покрытие тепловых затрат за счет теплоты экзотермических реакций, при оптимальных температурах пиролиза биомассы (за исключением околотомского и аркадьевского торфа) составили от 10 до 20%. Процесс пиролиза даже высушенного околотомского и аркадьевского торфа невозможно организовать за счет тепловых эффектов разложения в связи с малой величиной тепловыделения и высокой зольностью. В качестве внешнего источника для покрытия тепловых затрат может быть использована теплота от сжигания продуктов пиролиза или части исходного сырья. Результаты исследования опубликованы в 3-х журналах, индексируемых базами Scopus и WoS: 1) Tabakaev R., Ibraeva K., Yazykov N., Shanenkov I., Dubinin Y., Zavorin A. The study of highly mineralized peat sedimentation products in terms of their use as an energy source // Fuel. – 2020. – Vol. 271. – Article number 117593. doi: 10.1016/j.fuel.2020.117593 (Q1, IF 5.128). 2) Tabakaev R., Ibraeva K., Kan V., Dubinin Y., Rudmin M., Yazykov N., Zavorin A. The effect of co-combustion of waste from flour milling and highly mineralized peat on sintering of the ash residue // Energy. – 2020. – Vol 196. – Article number 117157. doi: 10.1016/j.energy.2020.117157 (Q1, IF 5.537). 3) Астафьев А.В., Табакаев Р.Б., Языков Н.А., Заворин А.С. Теплофизическое обоснование пиролитической переработки возобновляемой биомассы за счет теплоты разложения // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2020. – Т. 331. – № 6 (принята в печать). Апробация результатов НИР произведена на 3-х конференциях: 1) II Всероссийская научно-техническая конференция «Борисовские чтения-2019» (г. Красноярск, 25-27 сентября 2019 г.), устное выступление с докладом "Переработка отрубей посредством каталитического пиролиза в виброожиженном слое". 2) Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 02-06 декабря 2019 г.), устное выступление с докладом "Связь между тепловыделением в ходе разложения биомассы и динамикой выхода продуктов пиролитической переработки". 3) Национальная с международным участием конференция «Энергосбережение и инновационные технологии в ТЭК» (г. Тюмень, 18-20 декабря 2019 г.), устное выступление с докладом "Применение термической переработки для вовлечения биомассы в топливно-энергетический баланс". Информация о реализации проекта и его результатах опубликована в СМИ: «Молодые ученые ТПУ планируют создать технологию переработки биомассы в топливо» в РИА Томск (https://www.riatomsk.ru/article/20190828/tpu-biotoplivo-sorbenti/ ) и на сайте РНФ (https://www.rscf.ru/news/presidential-program/pererabotki-biomassy-v-toplivo/ )

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе реализации 2-го этапа НИР (заключительный этап) выполнены следующие работы. 1. Разработана методика исследования и экспериментальная база с учетом результатов 1-го этапа НИР. 2. Проведены физические эксперименты на разработанном стенде по получению продуктов энергетического назначения (высококалорийного газа и углеродного остатка) в присутствии полифункционального катализатора. 3. Изучены характеристики и текстура полученных продуктов. 4. Изучены тепловые эффекты, наблюдаемые при термическом преобразовании биомассы в присутствии полифункционального катализатора. 5. Составлены материальные и тепловые балансы термического преобразования биомассы в присутствии полифункционального катализатора. 6. Сделана оценка кинетики термического разложения биомассы в присутствии полифункциональных катализаторов. 7. Проанализированы результаты исследования. 8. Обобщены результаты НИР в целом. 9. Составлена отчетная документация и опубликованы результаты 2-го года НИР, включая их апробацию при выступлении на всероссийских и международных конференциях. Достигнутые научные результаты в отчетном периоде: 1. Исследована возможность использования каталитической композиции из смеси оксидов меди, магния и хрома, нанесенных на оксид алюминия: (1,7% CuO, 3,6% MgO, 17% Cr2O3, основа – Al2O3) в процессе медленного пиролиза. Экспериментально установлено, что примененного данного катализатора катализатора позволило снизить количество смолопродуктов в пиролизном газе в 1,4-8 раз, увеличить долю метана в его составе в 1,5-2 раза, что способствовало росту теплоты сгорания, увеличить тепловой эффект разложения на 0,88-2,12 МДж/кг. 2. Определены кинетические характеристики пиролитического разложения биомассы методом Г. Фридмана: средние значения энергии активации для соломы – 21,4 кДж/моль; для опилок – 20,7 кДж/моль; для скорлупы – 23,8 кДж/моль; для отрубей – 31,5 кДж/моль; для торфа – 24,0 кДж/моль (результаты исследования изложены в Табакаев Р.Б., Алтынбаева Д.Б., Ибраева К.Т., Заворин А.С. Кинетические характеристики пиролиза биомассы // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. –2020. – Т. 331. – № 12. – С. 117-130). Кинетические характеристики пиролиза биомассы в присутствии катализатора ниже, чем при пиролизе исходного сырья. Это указывает на то, что наличие катализатора способствует снижению энергетического барьера, необходимого для протекания реакций разложения. 3. Составлены материальные и тепловые балансы термической переработки биомассы в присутствии катализатора и без его добавления. Экспериментально показано, что добавление катализатора в таком количестве при переработке биомассы позволяет снизить выход смолы в 1,4-8 раз. При этом увеличивается выход пирогенетической воды и незначительно снижается выход углеродистого остатка для всех видов сырья за исключением скорлупы ореха. Тепловой баланс пиролитической переработки показал, что пиролиз протекает с выделением теплоты 0,32-4,08 МДж/кг, при этом добавление катализатора способствует увеличению доли тепловыделения на 0,88-2,12 МДж/кг за счет разложения смолопродуктов. 4. Получены данные дифференциально термического анализа, показывающие наличие тепловых эффектов при температурах пиролиза свыше 200 С. Расшифровка данных позволила получить зависимость величины теплового эффекта пиролиза биомассы от её состава (соотношение водорода к углероду). 5. Определены теплофизические характеристики углеродного остатка для биомассы различной степени минерализации (Табакаев Р.Б., Астафьев А.В., Ивашутенко А.С., Языков Н.А., Заворин А.С. Изменение теплофизических характеристик биомассы с различной долей минерализации в процессе медленного пиролиза // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. –2021. – Т. 332. – № 3. – С. 74-84.). Отмечено снижение теплоемкости в диапазоне температуры 300-400 С, связанное с разложением органических компонентов биомассы. 6. По итогам выполнения 2-го года НИР опубликовано 2 статьи в журналах, индексируемых базами цитирования Scopus и WoS, подготовлена 1 статья и направлена в журнал Fuel (Impact Factor of journal: 5.578, Q1), проведена апробация полученных результатов на 5-ти научных конференциях различного уровня. Результаты, полученные при выполнении 2-го года проекта, апробированы на следующих конференциях: 1) Международная научно-практическая конференция «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность – 2020», 14-17 сентября 2020, г. Севастополь, устное выступление с докладами «Комплексный подход к изучению теплового эффекта пиролиза биомассы в неподвижном слое» и «Изменение характеристик биомассы в процессе её термической переработки». 2) V Всероссийская конференция «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2020) с элементами школы молодых ученых, 13-20 сентября, г. Ялта, Республика Крым, устное выступление с докладами «Переработка отходов угледобычи и мукомольного производства в эко-горошек» и «Влияние температуры на выход продуктов пиролитической переработки отходов мукомольного производства». 3) XIV Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2020), 30 ноября – 4 декабря 2020 года, г. Новосибирск, устное выступление с докладом «Исследование вредных выбросов при смесевом сжигании отходов угледобычи и мукомольного производства». 4) IV школа молодых ученых «Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы», 9-12 ноября 2020 г., г. Красноярск, устное выступление с докладом «Применение катализаторов для снижения содержания смол в генерируемом при пиролизе биомассы газе». 5) XV Международная научно-техническая конференция «Совершенствование энергетических систем и теплоэнергетических комплексов», 6-9 октября 2020 г., г. Саратов, устное выступление с докладом «Варианты повышения эффективности использования растительной биомассы в энергетических целях». Основные положения опубликованы в 2-х статьях: 1. Табакаев Р.Б., Алтынбаева Д.Б., Ибраева К.Т., Заворин А.С. Кинетические характеристики пиролиза биомассы // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. –2020. – Т. 331. – № 12. – С. 117-130. 2. Табакаев Р.Б., Астафьев А.В., Ивашутенко А.С., Языков Н.А., Заворин А.С. Изменение теплофизических характеристик биомассы с различной долей минерализации в процессе медленного пиролиза // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. –2021. – Т. 332. – № 3. – С. 74-84. Информация о реализации проекта и его результатах опубликована в СМИ: «Российские ученые нашли экологически чистую замену углю» в РИА Новости (https://ria.ru/20201028/tpu-1581784711.html?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop) и «Ученые ТПУ и ИК СО РАН нашли экологически чистую замену бурому углю» в Научная Россия (https://scientificrussia.ru/articles/uchenye-tpu-i-ik-so-ran-nashli-ekologicheski-chistuyu-zamenu-buromu-uglyu).