Ученые из Томского университета разработали топливную смесь из угольной смолы и отходов шин

Томск, 1 сен - ИА Нефтегаз.РУ. Специалисты Томского политехнического университета (ТПУ) предложили применять в качестве топлива комбинацию обводненной угольной смолы и жидких продуктов переработки отработанных шин.
Об этом сообщила пресс-служба Минобрнауки. Такая смесь воспламеняется быстрее и образует меньше вредных выбросов. Жидкие углеводороды отработанных шин и обводненная угольная смола при совместном сжигании проявляют синергетический эффект и вступают в химическое взаимодействие. Это меняет процесс воспламенения и горения, превращая два сложных побочных продукта в более эффективное топливо. Важную роль в этом процессе играют кислородсодержащие соединения угольной смолы (фенолы, органические кислоты, спирты, эфиры) снижают температуру начала активного окисления и сокращают время задержки воспламенения, взаимодействуют с углеводородами шин и интенсифицируют образование паров, что ускоряет последующее воспламенение. Об этом рассказал один из авторов исследования, доцент Научно-образовательного центра им. И. Бутакова ТПУ К. Ларионов.

Пиролиз, представляющий собой термическое разложение под действием высокой температуры, считается одним из перспективных способов переработки различных видов отходов. В результате образуются газ, углеродный остаток и жидкие углеводороды. Эти жидкие углеводороды имеют сложный химический состав, который меняется в зависимости от исходного сырья и условий процесса. Из-за этого часть продуктов переработки оказывается непригодной для дальнейшего использования, например в качестве топлива.

Исследователи изучили смесь жидких углеводородов, полученных из отработанных крупногабаритных шин горнодобывающей техники Белаз, и обводненной смолы коксования угля Кузнецкого угольного бассейна (Кузбасса). Долю смолы в смесях меняли от 2,5 до 40% по объему.

Состав и физические параметры полученных смесей анализировали с помощью аналитического оборудования. Отдельные капли сжигали в печи при температуре 600-800°C.

Исследование показало, что добавление обводненной угольной смолы сокращает время воспламенения. Для смеси с 40% угольной смолы этот показатель сокращался до 40% при температуре 600°C и до 75% при 800°C.

При увеличении доли смолы топливная смесь также сгорала полнее. Выбросы угарного газа и оксида азота снижались до 50% в зависимости от количества добавленной смолы.

Разработанный подход может быть востребован в угледобывающих и углеперерабатывающих регионах. Там существует необходимость одновременно утилизировать подобные отходы и получать энергию. Ученые рассматривают возможность организации сбора и утилизации таких отходов с выработкой тепловой энергии и ее последующей продажей промышленным предприятиям или населению.

Контекст

Обводнённая угольная смола образуется в ходе коксования каменного угля: при высокотемпературной обработке (900–1100 °C) из угля выделяются летучие компоненты, которые конденсируются в смолу.
При коксовании 1 тонны угольной шихты образуется 25 - 45 кг угольной смолы в пересчёте на сухую смолу.
Термин «обводнённая угольная смола» отражает не отдельный продукт, а состояние смолы после улавливания - она поступает с водой несколькими путями:

• при тушении кокса, в том числе мокрым способом;
• из исходной влажности угольной шихты;
• в результате конденсации водяных паров, образующихся при термическом разложении органической массы угля.

Содержание воды в сырой смоле на выходе из системы улавливания обычно составляет 3–10 % масс., а при нарушениях режима при интенсивном орошении или плохом отстаивании может достигать 15–20 %.
Соответственно, масса обводнённой смолы будет больше сухой на величину этой воды: например, при 25 кг сухой смолы и 10 % воды получится порядка 27,8 кг обводнённого продукта; при 20 % - до 31,3 кг.

В России добывается около 100 млн т/год коксующегося угля, что составляет около 25% в общем объёме российской угледобычи. Причем, 40-60 млн т/год экспортируется. То есть, теоретически, около 50 млн т/год угля идет на коксование, при котором образуется около 1,5 млн т обводненной угольной смолы.

В России образуется около 1 млн т/год отработанных автомобильных шин. На переработку поступает примерно 500 тыс. т/год, то есть около 50% от общего объёма. Около 30% отработанных шин после сезонной замены попадает на свалки и контейнерные площадки.

Основной метод переработки в России - это механическое дробление в резиновую крошку. А переработка пиролизом развивается в Татарстане, Ленинградской области, Краснодарском крае. Из 1 тонны отработанных шин при переработке методом пиролиза в среднем получается примерно 350–450 кг жидких углеводородов (пиролитического масла), около 35–45% от массы исходного сырья.

Полученные жидкие углеводороды - сложная смесь не только разных органических соединений ( алканы, алкены, ароматические), но и серы, азота, непредельных соединений. Поэтому сырая пиролизная жидкость не всегда подходит для прямого использования в двигателях или как стандартное топливо из-за нестабильности, агрессивности к материалам, выбросов при сгорании. Для получения качественного продукта нужны дополнительные технологические операции.
Впрочем, внешне эти жидкие углеводороды похожи на нефтепродукты:

• плотность примерно 0,90–0,98 г/см³;
• теплота сгорания 38–42 МДж/кг;
• температура вспышки в открытом тигле около 88 ^оC;
• температура застывания ниже –32 ^оC.

Официоз

К. Ларионов отметил, что с практической точки зрения это может быть хорошим и востребованным решением в угледобывающих и углеперерабатывающих регионах, например в Кузбассе. Там есть потребность в утилизации таких видов отходов и использовании большого количества энергии. Для определенных предприятий, занимающихся переработкой отходов, возможна организация бизнес-модели, построенной на сборе, утилизации отходов с генерацией тепловой энергии и последующей ее продажи промышленным предприятиям или населению. Результаты работы опубликованы в журнале Fuel. Исследование поддержано федеральной программой Минобрнауки России Приоритет-2030 национального проекта Молодежь и дети. В работе участвовали ученые Инженерной школы энергетики Томского политехнического университета.

Кузнецкий угольный бассейн расположен в Кемеровской области и считается одним из крупнейших угледобывающих регионов страны.