Энергетика — одна из важнейших отраслей человеческой деятельности, которая помимо пользы наносит непоправимый ущерб окружающей среде за счет сопутствующих выбросов вредных веществ и парниковых газов. Основная причина выбросов — сжигание традиционных первичных углеводородных энергетических ресурсов, включая уголь, нефть и газ. Их доля в мировом топливно-энергетическом балансе колеблется от 75 до 90 процентов от общего объема производства энергии, и полностью отказаться от ископаемого топлива в ближайшем будущем не удастся.
В связи с этим актуален поиск технологий, снижающих нагрузку на окружающую среду и обеспечивающих стабильное покрытие энергетических потребностей. Возможным решением является внедрение альтернативных технологий на основе возобновляемых источников энергии, доля которых в общем энергобалансе увеличивается с каждым годом. Перспективное и динамично развивающееся направление возобновляемой энергетики — использование биомассы.
Эффективный способ переработки различных видов органического сырья (как биомассы, так и ископаемого топлива) — их термическая конверсия, позволяющая получать ценные продукты в различных агрегатных состояниях. Одним из наиболее перспективных методов термической обработки является пиролиз, имеющий множество разновидностей в зависимости от ряда параметров (скорость, давление, среда, вид нагрева и так далее). Кроме того, на такую термическую обработку также влияют вид и характеристики обрабатываемого сырья.
Статья «Сравнительный анализ традиционного и микроволнового пиролиза сырья с разной степенью метаморфизма» физиков Канипы Ибраевой, Александра Астафьева, Игоря Димитрюка, Романа Табакаева, Ивана Калиныча, Ивана Шаненкова, вышла в журнале Energy Conversion and Management. Традиционный пиролиз — широко используемый и наиболее изученный подход среди всех методов термической обработки. По мнению экспертов МЭА, этот метод — наиболее универсальный и дешевый.
Микроволновой пиролиз — еще один вид пиролиза, который активно разрабатывается уже десятилетие. Несмотря на то, что микроволновый пиролиз имеет более высокую степень переработки сырья, разные виды топлива и биомассы по-разному способны воспринимать и проводить микроволновое излучение. Широкое распространение получил микроволновый пиролиз с добавлением СВЧ-поглотителей, например, микроволновый пиролиз сосновых опилок в смеси с катализатором из полукокса рисовой шелухи, пропитанного различными металлокомпозитами.
Тем не менее, в каждом конкретном случае для различных органических топлив необходимо проводить более детальные экспериментальные исследования как по взаимодействию с СВЧ-излучением, так и по оценке эффективности процесса при добавлении СВЧ-поглотителей. Полезно сравнивать не только методы, но и различные виды топлива по их геологическому возрасту: от молодого (биомасса) до зрелого (твердое ископаемое топливо).
Поэтому ученые провели сравнительный анализ продуктов термодеструкции, полученных в условиях традиционного пиролиза и микроволнового пиролиза для нескольких видов топлива, различающихся степенью метаморфизма, для разработки рекомендаций по применимости каждого метода и обеспечения выход наиболее энергетически ценного продукта.
Ученые рассмотрели несколько видов биомассы, в том числе отходы сельского хозяйства (пшеничные отруби и солома) и агропромышленные (скорлупа кедровых орехов), отходы лесозаготовок (сосновые опилки), отходы КРС (навоз), торф, бурый и каменный уголь. Наиболее «молодые» с точки зрения метаморфического преобразования — ресурсы растительной биомассы (отруби, солома, скорлупа и опилки), за которыми следует продукт, прошедший стадию пищеварительного брожения (навоз крупного рогатого скота). Далее идет торф как продукт ранней степени карбонизации, который, однако, часто относят к ресурсу «медленно возобновляемой биомассы». И, наконец, следуют бурый уголь и каменный уголь соответственно в зависимости от стадии возрастающей карбонизации.
Проведя сравнительный анализ традиционного и микроволнового пиролиза для различных видов органического сырья, различающихся степенью метаморфизма и получив материальные балансы, ученые сделали вывод, что выход углеродистого остатка увеличивается с увеличением геологического возраста топлив для обоих видов пиролиза, при этом количество твердых продуктов при традиционном пиролизе в 1,2−2,6 раза выше, чем при микроволновом.
Углеродистый остаток может быть использован в качестве бездымного топлива или источника энергии для обеспечения собственных нужд производства. Преобладающий горючий компонент в газообразных продуктах традиционного пиролиза — метан, а при микроволновом нагреве -высокая концентрация компонентов синтез-газа (H2+ CO) помимо CH4 и низкое содержание балластного газа CO2.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 22−19−00410 «Разработка научно-технических основ технологии получения продуктов микроволнового пиролиза из биоугольные композиции»). Аналитические исследования проводились на оборудовании, закупленном при финансовой поддержке Государственного задания № ФЭВЗ-2024−0013 (Научно-технические основы и прикладные решения ресурсосберегающей термической переработки органического сырья с получением продуктов с высокой добавленной стоимостью для энергетики, металлургическая и сельскохозяйственная промышленность).
Источник:
Управление стратегических коммуникаций ТюмГУ и сайт Naked Science
