Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами совершили прорыв в области углехимии. Им удалось разработать инновационную технологию, позволяющую превращать каменный уголь в жидкое горючее с колоссальной экономией энергии. Благодаря применению специальных добавок-катализаторов, расход энергии на весь процесс удалось сократить в 4,3 раза, а себестоимость производства килограмма топлива — в 3,6 раза, проинформировала пресс-служба университета.
Екатерина Григорьева
Источник фото: пресс-служба Томского политехнического университета
Научная работа велась в рамках федерального проекта «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети») и была опубликована в авторитетном международном журнале Energy (квартиль Q1, импакт-фактор 10,1).
Почему уголь нужно перерабатывать, а не сжигать
Несмотря на то, что уголь остается одним из ключевых энергоносителей, его прямое сжигание все чаще подвергается критике из-за огромного количества вредных выбросов в атмосферу. В связи с этим мировое научное сообщество активно ищет способы трансформации этого сырья в более экологичные и востребованные продукты — синтез-газ или жидкие энергоносители.
Одним из самых перспективных направлений считается микроволновый пиролиз — нагрев сырья с помощью СВЧ-излучения. Однако у этого метода есть существенный недостаток: уголь плохо улавливает микроволновую энергию. Это приводит к тому, что реакция запускается медленно, процесс затягивается, а расход электроэнергии непозволительно возрастает, делая технологию нерентабельной.
Секретная формула: от навоза до оксида металла
Команда томских физиков решила эту проблему, подобрав идеальные «усилители» микроволнового поля. В качестве присадок (микроволновых поглотителей) они испытали как неорганические вещества (оксиды железа и меди), так и органические отходы — коровий навоз и скорлупу кедрового ореха. Добавки вводились в уголь в количестве 10% от массы.
Источник фото: пресс-служба Томского политехнического университета
В ходе экспериментов специалисты тщательно анализировали состав всех продуктов реакции: твердого остатка, жидких фракций и газа. Более того, полученный газ был проверен на каталитической установке на пригодность для синтеза дизельного топлива по методу Фишера–Тропша.
«Наша лаборатория давно занимается СВЧ-переработкой различных видов органики — от биомассы до антрацита. Сейчас наша главная цель — отладить маломасштабное производство жидкого топлива. В этой работе мы проследили весь путь: от подбора дешевых микроволновых поглотителей до оценки потенциала синтеза горючего из пиролизного газа. Подобранные добавки позволили резко снизить энергоемкость процесса. Ключевой результат — образующийся газ идеально подходит для дальнейшей конверсии, а это критически важно, ведь именно энергозатраты определяют конечную цену продукта, особенно в отдаленных регионах», — поясняет ведущий научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Табакаев.
Результаты эксперимента: кто оказался эффективнее?
Испытания показали, что минеральные добавки показали лучшие результаты с точки зрения энергосбережения:
- Оксид железа — повысил энергетическую отдачу в 4,3 раза (относительно переработки без добавок).
- Оксид меди — ускорил и удешевил процесс в 2,9 раза.
Органические отходы также оказались полезны, хоть и скромнее по цифрам:
- Коровий навоз — снизил затраты в 1,6 раза.
- Скорлупа кедрового ореха — улучшила показатель в 1,3 раза.
Идеальный газ для идеального топлива
Самым неожиданным и приятным открытием стал состав газа, полученного при переработке смеси угля со скорлупой ореха. Он оказался практически эталонным для синтеза топлива.
«Для реакции Фишера–Тропша оптимальное соотношение оксида углерода к водороду составляет примерно 1:2. Наши образцы показали результат около 1:2,2, что является превосходным показателем», — с гордостью отмечает Роман Табакаев.
Ученые также определили идеальные условия для максимальной конверсии газа в топливо: температура около 260 °C и давление до 12 бар.
Экономическая выгода важнее сиюминутных объемов
Несмотря на то, что добавки незначительно снижают выход жидкой фракции на килограмм угля, итоговая экономия оказывается гораздо важнее. Как подчеркивает исследователь, на производство килограмма готового горючего теперь требуется в 1,2–3,6 раза меньше энергии. В долгосрочной перспективе именно этот фактор станет решающим для формирования конкурентной цены на синтетическое топливо из угля, делая технологию привлекательной для промышленного внедрения.
В проекте принимали участие специалисты сразу нескольких школ ТПУ (физики высокоэнергетических процессов, энергетики, природных ресурсов), а также ученые Тюменского государственного университета.
Это не единственная разработка в области энергоэффективных технологий. А вы знали, что скорость сгорания биотоплива можно увеличить в десятки раз? Ранее «Химагрегаты» писали о методе, который в десятки раз ускоряет сжигание биотоплива — еще один шаг к удешевлению «зеленой» энергетики.
Еще одна интересная разработка: японские исследователи разработали материал для связывания углерода, демонстрирующий повышенную сорбционную способность к CO₂. Ключевой фактор эффективности — варьирование размеров противоанионов в структуре соединения.