Команда ученых из Томского политехнического университета (ТПУ) предложила способ переработки каменного угля в жидкое топливо с помощью специальных добавок — микроволновых поглотителей. Это снизило энергозатраты более чем в четыре раза, и более чем втрое уменьшило расход энергии.
В исследовании принимали участие ученые Исследовательской школы физики высокоэнергетических технологий, Инженерной школы энергетики и Инженерной школы природных ресурсов Томского политеха, а также Тюменского госуниверситета. Результаты опубликованы в журнале Energy (Q1, IF: 10,1).
Сегодня каменный уголь остается одним из важных источников энергии и сырья, но из-за большого количества вредных выбросов его использование постепенно сокращается. Ученые всего мира ищут способы получения из него более ценных продуктов — газообразного и жидкого топлива. Один из перспективных методов — микроволновый пиролиз (нагрев с помощью СВЧ-излучения). Однако уголь плохо «ловит» микроволновую энергию, что удлиняет весь процесс и требует больше электричества.
Чтобы уголь лучше поглощал микроволны, исследователи подобрали специальные добавки. Это неорганические соединения — оксид железа и оксид меди, и органические вещества — навоз крупного рогатого скота и скорлупа кедрового ореха. Их добавляли в количестве 10% в процессе пиролиза. Далее были проанализированы продукты реакции: твердый углеродный остаток, жидкие фракции и газ. Отдельно на каталитической установке проверяли состав газа — можно ли из него с помощью метода Фишера-Тропша получить жидкое топливо.
«Наш коллектив занимается СВЧ-переработкой различного вида органического сырья — от биомассы до антрацита, сейчас решаем вопрос малотоннажного получения жидкого топлива. В этом исследовании мы проводили комплексную оценку разных доступных микроволновых поглотителей для каменного угля на протяжении всей технологической цепочки: от микроволнового пиролиза до потенциального получения жидкого топлива из пиролизного газа. Предложенные нами добавки-поглотители позволили существенно уменьшить энергозатраты на переработку угля, — пояснил один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Табакаев. — Это особенно важно, так как это напрямую влияет на себестоимость конечного продукта, особенно в труднодоступных населенных пунктах».
В итоге неорганические добавки показали лучшие результаты по снижению энергопотребления на пиролиз. Оксид железа увеличил энергетическую отдачу в 4,3 раза по сравнению со стандартным процессом, а оксид меди — в 2,9 раза. Органические добавки, которые являются отходами производства, тоже показали экономию: навоз повысил эффективность в 1,6 раза, скорлупа кедрового ореха — в 1,3 раза.
«Смесь скорлупы кедрового ореха и угля в процессе переработки дала синтез-газ с оптимальным составом для его последующей переработки в топливо, — подчеркнул ученый. — Дело в том, что для метода Фишера-Тропша необходимо соотношение оксида углерода и водорода примерно 1:2. А наши образцы показали значение примерно 1:2,2».
В ходе экспериментов были установлены оптимальные параметры процесса: температура синтеза должна достигать около 260 °C, давление — до 12 бар.
Как отмечает Роман Табакаев, добавки-поглотители немного снижают выход жидкого топлива из одного килограмма угля. Но в то же время на производство одного килограмма готового топлива требуется в 1,2–3,6 раза меньше энергии. Это намного важнее, так как именно расход энергии определяет цену итогового топлива.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
