Российским ученым удалось значительно увеличить эффективность сжигания угля

Российским ученым удалось значительно увеличить эффективность сжигания угля

Исследователи НИТУ "МИСиС", ТПУ и Института катализа СО РАН им. Г.К. Борескова предложили новый метод повышения эффективности сгорания угольного топлива с помощью солей меди, который позволяет на 40% сократить выбросы угарного газа и в три раза снизить недожог, превратив его в полезное тепло. Исследование было опубликовано в журнале Fuel Processing Technology.

По данным Международного энергетического агентства, уголь является самым распространенным первичным энергоресурсом в мире. Согласно отчетам организации, в 2020 году более трети мировой электроэнергии производилось за счет сжигания угля. Эксперты утверждают, что, несмотря на все усилия по переходу на возобновляемые источники энергии, уголь в ближайшие годы сохранит лидирующие позиции в производстве электроэнергии. При этом, с использованием угля в качестве энергоносителя связан ряд проблем, включая неполное сгорание топлива и выделение токсичных газов, что ставит перед угольной энергетикой задачу более эффективной и экологичной конверсии топлива в энергию. Одним из возможных решений для повышения эффективности сгорания угля может стать использование каталитических агентов (катализаторов), способных повысить интенсивность процесса его горения. В качестве таких агентов могут выступать оксиды различных металлов или их прекусоры: нитраты, ацетаты, хлориды и сульфаты.

"На угольной энергетике рано ставить крест. Китай, несмотря на все "зеленые" тенденции, рассматривает уголь как основное топливо XXI века. В России доля угля в энергобалансе составляет немногим менее 20%. Даже Великобритания, последовательно проводящая курс на переход к возобновляемым источникам энергии, в третьем квартале 2020 года сожгла более 200 тыс. тонн угля. Следовательно, поиск каталитических добавок, активирующих сжигание угля, будет продолжаться. Мы добились определенных успехов в этом направлении: эффективность сгорания углей, особенно высокозолистых, существенно повышается при использовании катализаторов, предложенных и испытанных нашим научным консорциумом", - отметил руководитель исследовательской группы НИТУ "МИСиС", д.т.н., заведующей лабораторией "Катализ и переработка углеводородов" НИТУ "МИСиС" Александр Громов.

При использовании солей металлов в качестве катализаторов, повышение эффективности процесса горения достигается за счет интенсификации реакции горения и понижения температуры горения. При этом авторы исследования отмечают, что применение солевых агентов делает процесс горения более управляемым.

В ходе исследования ученые использовали соли меди в качестве активирующей добавки горения для повышения реакционной способности твердого топлива с высокой степенью углефикации, такого как антрацит или каменноугольный кокс. Такое топливо имеет высокую температуру воспламенения и теплоту сгорания при более низкой интенсивности горения. Увеличение реакционной способности и скорости горения позволило значительно снизить потери тепла из-за так называемого топливного недожога путем его преобразования в энергию.

Исследователи интегрировали нитраты, ацетаты и сульфаты меди в объемную структуру угля методом пропитки, что позволило им обеспечить равномерное распределение добавки по материалу. Затем полученный материал сжигали в камере сгорания при начальной температуре 500-700?C.

Механизм активации процесса горения заключался в интенсификации выделения горючих газофазных продуктов на стадии высвобождения летучих соединений и формировании локальных очагов газообразования, которые препятствуют образованию шлака, что в конечном итоге позволило обеспечить хорошее взаимодействие окислителя с топливом в процессе его сжигания.

Авторы исследования отмечают, что при использовании оксидных катализаторов существует необходимость обеспечить динамический контакт каталитической добавки и угля, т.е. добавка должна быть распределена равномерно в слое топлива, отдавая кислород и тем самым усиливая реакционную способность смеси. Применение солей в качестве катализатора позволяет динамический контакт исключить, что является преимуществом данного метода, поскольку слоевое сжигание широко применяется в угольной энергетике.

В будущем применение солей меди для повышения эффективности сгорания угля позволит существенно снизить топливные потери в энергетической отрасли, минимизировать затраты энергии при растопке электроэнергетического оборудования и сократить выбросы от угольных электростанций.

Справка о НИТУ "МИСиС"

НИТУ "МИСиС" - один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ "МИСиС" также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по 16 направлениям, входя в топ-100 в категориях "Инжиниринг-Горное дело" (рейтинг QS) и "Инжиниринг-Металлургия" (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ "МИСиС" в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).

Стратегическая цель НИТУ "МИСиС" к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нанотехнологий и ИТ. В состав университета входит 10 институтов, 6 филиалов - четыре в России и два за рубежом. В НИТУ "МИСиС" учится более 20 000 обучающихся, среди них 26% - это студенты из 84 стран мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. НИТУ "МИСиС" успешно реализует совместные проекты с крупнейшими высокотехнологичными компаниями России и мира.