В ТюмГУ разработают экологичное топливо из растительной биомассы

Западно-Сибирский межрегиональный НОЦ Тюменской области, Ханты-Мансийского автономного округа-Югры и Ямало-Ненецкого автономного округа получил право на создание шести научных лабораторий.

Среди них две лаборатории будут открыты в ТюмГУ. Мы встретились с учеными, которые создадут лабораторию ресурсоэффективных технологий термической переработки биомассы.

Ее цель – разработка безотходной технологии термической переработки биомассы в твердые и газообразные продукты для обеспечения снижающей «углеродный след» продукцией энергетики и промышленности. Актуальность работы - в необходимости снижения вредных выбросов и парниковых газов, образующихся в результате деятельности объектов энергетики и промышленности, за счет вовлечения СО₂-нейтральных ресурсов биомассы. Перспективным направлением становится термическая переработка биомассы, в результате применения которой возможно получение ценных твердых, жидких и газообразных продуктов.

Руководитель и инициатор создания лаборатории – кандидат технических наук Иван Шаненков, победитель Всероссийского конкурса «Инженер года-2019» (направление «Техника высоких напряжений»), лауреат стипендии Ж.И. Алфёрова (2021-2022 гг.).

Его коллега Роман Табакаев будет старшим научным сотрудником лаборатории. Роман – победитель Всероссийского конкурса «Инженер года-2020» (направление «Теплоэнергетика, теплотехнологии»), лауреат стипендии Президента РФ для государственной поддержки молодых ученых и аспирантов (2018-2020 гг.).

Ученые рассказали нам о том, чем будут заниматься в Тюмени, для начала расшифровав терминологию исследований.

– Под биомассой подразумеваются отходы различных отраслей, например, сельского хозяйства, лесозаготовительных и деревоперерабатывающих предприятий и т.п., а также торф.

Как правило, ресурсы биомассы мало востребованы. Будучи отходами, они складируются в отвалах и перегнивают, в процессе чего выделяются углекислый газ и метан – парниковые газы. Учитывая объемы образования биомассы, можно заключить, что неиспользование биомассы способствует развитию парникового эффекта и изменению климата.

Некоторые виды биомассы, например, пшеничные отруби,  применяются в качестве биодобавки или корма животным. Однако важно понимать, что этот продукт – лишь сорбирующая добавка, и злоупотребление этим продуктом может привести к негативным последствиям. А значит, объемы их использования ограничены. Прочие виды отрубей (ячменные, кукурузные, овсяные и т.д.) востребованы куда менее.

Схожая ситуация характерна для большей части биомассы. Подчас производители оставляют биоотходы на месте заготовки или просто их сжигают, несмотря на возможность получения штрафных санкций. При этом в атмосферу выбрасывается значительное количество теплоты и углекислого газов.

Если говорить про торф, то в начале – в середине прошлого века он использовался в качестве топлива, но сейчас его применение ограничено лишь сельскохозяйственным назначением в виде удобрения, емкости для рассады (торфяные стаканчики или таблетки) или сырья для получения гуминовых добавок.

В свою очередь, биомассу стоит рассматривать в качестве топлива или ценного сырья для широкого спектра промышленностей. Ведь биомасса считается СО2-нейтральным сырьем. То есть, в процессе жизни растения поглощают СО2 из воздуха. Когда они умирают, идет выделение практически такого же количества СО2, что они поглотили. Наблюдается закон сохранения массы. Так что или биомасса сама сгниет и неизбежно выделится СО2, или мы её энергетически используем и выделится то же количество СО2, но при этом мы ещё получим пользу в виде электроэнергии или тепла.

Однако использование биомассы в энергетических целях – дело непростое. Биомассу непросто сжечь: если взять кучу опилок и поджечь, то сгорит, в лучшем случае, верхний слой, а находящийся слой опилок внутри кучи гореть не будет – необходимо организовать подвод воздуха по всему объему насыпки. Кроме того, перевозить биомассу из-за низкой насыпной плотности – довольно затратное дело: например, в кузов «КАМАЗа» войдет 8-10 тонн угля, а сухих опилок – хорошо, если пара тонн. В дождливую или снежную погоду при перевозке биомасса намокает, слипается, смерзается, что существенно усложняет процесс выгрузки. И, наверное, самая главная проблема при сжигании растительной биомассы – высокая доля калия и натрия в составе золы из-за применения минеральных удобрений, что приводит к зашлаковыванию топливосжигающего оборудования – образованию трудно удаляемых минеральных отложений на стенках топочной камеры, приводящих к выходу оборудования из строя.

Перечисленные проблемы сдерживают широкое применение биомассы в энергетике, переходу на возобновляемое, СО2-нейтральное и экологичное топливо.

Наш проект нацелен на то, чтобы устранить вышеуказанные проблемы и сделать из биомассы ценный продукт для энергетики и промышленности. Для этого мы её термически перерабатываем. Что такое термическая переработка? Давайте для начала рассмотрим процесс горения. Для его осуществления необходимы топливо, кислород и температура. Когда эти компоненты сошлись воедино, возникают окислительные реакции, сопровождающиеся резким выделением теплоты, то есть горение. Если мы из этой цепочки убираем любой из перечисленных компонентов, то процесс горения не протекает: например, стол в кабинете – это сочетание топлива и воздуха, но горения нет – отсутствует температура. Греем паяльник на воздухе – горения тоже нет, так как нет контакта с горючим материалом. Так вот, термическая переработка – это сочетание топлива (то есть, биомасса) и температуры в отсутствии окислителя (воздуха или непосредственно кислорода). В условиях бескислородного нагрева не протекает горение, а идет термическое разложение – научным языком – «термическая деструкция». Соответственно, из биомассы получаются три продукта: жидкие, твердые и газообразные. Твердые – это углеродистый остаток (например, древесный уголь), жидкие – смолы (деготь) и вода, газообразные – смесь метана, водорода, СО и СО2, которую мы можем использовать в энергетике.

Направления деятельности лаборатории

– Первое – сельскохозяйственное применение: переработали термически биомассу – получили биоуголь (аналог древесного угля). В Институте X-BIO ТюмГУ этот продукт добавляют в почву для повышения урожайности. Биоуголь после обработки становится сорбентом, который поглощает воду, когда её много, и отдаёт её обратно, когда её для растений недостаточно. Улучшается производительность сельскохозяйственных земель. Наш научный коллектив будет получать биоуголь с различными характеристиками, который после модификации поместят в почву. Это будет коллаборации с коллегами из ТюмГУ, которые уже этим занимаются. Есть коллеги, которые получают биомассу, есть те, кто занимаются использованием биоугля в растениеводстве. Соответственно, мы будем промежуточным звеном, которое будет перерабатывать биомассу в биоуголь, – идеально вписываемся в эту исследовательскую цепочку. Биоуголь можно использовать и в качестве топлива, причем бездымного. При его сжигании не образуется смога и копоти.

Из вышесказанного может сложиться мнение, что мы – прикладники. Но фундаментальная наука в нашей работе тоже присутствует. Потому что прежде, чем прийти к результату, нужно понять, при каких параметрах необходимо перерабатывать продукт, установить зависимость между условиями получения и характеристиками продукта. Разработка нового продукта и его внедрение на рынок, как правило, требует прохождения этапа лабораторных исследований. Для этого и открывается тюменская лаборатория. Мы будем исследовать, как ведет себя тюменская биомасса в процессе термической переработки: торф, горельники и др. Берем биомассу, исследуем её свойства: при каких режимах её термически обрабатывать, чтобы на выходе получить как можно более калорийное энергетическое топливо. Потом, уже на основании этих фундаментальных исследований, придет понимание того, что нужно получить на выходе, какие запросы у индустриальных партнеров. Мы можем предложить им те или иные готовые технологии – берите-пользуйтесь, при таких-то режимах получайте это, то или сё. То есть, наша деятельность – это сплав фундаментальной и прикладной науки.

Резюмируем: наша продукция нужна для улучшения качества почвы, второе – бездымное топливо, третье – углеродный остаток, который можно применять как сорбент, например, для очистки дымовых газов, воды и т.д., это, по сути, аналог активированного угля. Четвертое направление – это автономное энергоснабжение удаленных районов. Энергоснабжение удаленных районов сейчас осуществляется дизельными электростанциями (ДЭС). В некоторые районы доставить топливо можно только водным транспортом или при помощи вертолета. В этих районах полно местных ресурсов биомассы: древесины, торфа, навоза, валежника и т.п. Люди сами могут это собрать. И эту биомассу можно перерабатывать в газ, который при помощи двигателя внутреннего сгорания можно трансформировать в электричество или тепло. Таким образом будет организовано автономное электроснабжение за счет доступных местных ресурсов. Потребуются инвестиции для модернизации действующих ДЭС, но это более экономически выгодно, чем затраты на доставку топлива в удаленные районы. В результате снизится себестоимость электричества. Сейчас есть такие поселки, где вскипятить чайник стоит 200 рублей.

Пятое наше направление появилось относительно недавно, благодаря анонсированию налога на выбросы СО2, так называемого «углеродный налог». Так металлурги, чтобы получить тонну жидкой стали, выбрасывают две тонны СО2. И если даже сделают, так что Европа пойдет по оптимистичному для нас сценарию – налог на выбросы тонны СО2 составит 30 долларов – то тонна российской стали станет дороже на 60 долларов. Этот налог очень сильно ударит и по нашей нефтяной отрасли, потому что при добыче российской нефти образуется много СО2 по сравнению с добычей Объединённых Арабских Эмиратов, и нефть станет дороже, чем у конкурентов. Металлурги и нефтяники забили тревогу. Поэтому сегодня при выплавке стали интересуются именно биоуглем. Сталь – это железо плюс углерод. Биоуголь – это практически чистый углерод.

Сейчас углерод восполняют так: берут специальные виды угля – это так называемый коксующийся или спекающийся уголь, его термически перерабатывают – получают кокс, его добавляют в доменную печь. Мы решили улучшить эту составляющую. Мы берем уголь и биомассу, делаем брикет – коксуем – и уже этот брикет отдаем металлургам. Технология получается практически безотходной – побочные продукты утилизируются для покрытия собственных тепловых нужд. Сейчас этот проект реализуется в Кемерово при поддержке инвестора.

В Тюмени мы тоже попытаемся найти индустриальных партнеров для реализации наших идей.

В ТюмГУ наша лаборатория будет в составе Института X-BIO. Скоро закупим оборудование. Приоритет отдается научному оборудованию для проведения исследований, проектированию экспериментальных стендов. Постепенно будем уходить в практикоориентированные установки, которые можно показать потенциальным инвесторам в качестве прототипов будущего энерготехнологического оборудования.

В начале работы лаборатории в ней будет десять сотрудников. И, конечно же, необходимо привлечь к работе тюменских студентов и аспирантов. Со временем создать школу биоэнергетики на базе ТюмГУ.

Иван Шаненков резюмирует:

– Нам нужны люди, у которых будут гореть глаза! Если студент будет заинтересован, то сможет понять даже плазменные процессы. Мой пример: я по основной специальности занимался электроприводами, обычными электрическими двигателями. А диссертацию защитил по плазмодинамическому синтезу нанопорошков. Если б мне на третьем курсе сказали, что я буду заниматься этими порошками, я бы очень удивился. Поэтому главное – горящие глаза. В лаборатории есть агробиологическая часть – нужны биологи; термическая – нужны энергетики; пиролиз – это химический процесс – химики; моделирование процессов – математики; для расчетов программ – программисты, металловедение – металлурги. В процессе совместной работы получится, что у ребят будет междисциплинарный опыт.

Источник:

Управление стратегических коммуникаций ТюмГУ