Томские учёные проверили, как превратить уголь в жидкое топливо

Учёные Томского политехнического университета совместно с коллегами разработали способ переработки каменного угля в жидкое топливо с помощью микроволновых поглотителей. Специальные добавки помогают углю эффективнее воспринимать микроволновое излучение и позволяют снизить энергозатраты на переработку до 4,3 раза. Расход энергии на получение одного килограмма жидкого топлива при этом сокращается до 3,6 раза.
Исследование ученых ТПУ поддержано федеральной программой Минобрнауки России «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети». Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Energy, который входит в первый квартиль (Q1).

Каменный уголь остается важным источником энергии и сырьем для промышленности, однако его прямое использование постепенно сокращается из-за значительных выбросов вредных веществ. Поэтому ученые ищут способы перерабатывать уголь в более ценные продукты — газообразное и жидкое топливо.

Одним из перспективных методов считается микроволновый пиролиз — нагрев сырья с помощью микроволнового излучения. При этом уголь не всегда эффективно поглощает микроволновую энергию. Из-за этого процесс переработки идет медленнее, занимает больше времени и требует повышенного расхода электроэнергии.
Исследователи Томского политеха проверили несколько доступных микроволновых поглотителей. В качестве добавок использовали оксид железа, оксид меди, навоз крупного рогатого скота и скорлупу кедрового ореха. Их добавляли к каменному углю в количестве 10% во время микроволнового пиролиза.

В ходе экспериментов ученые изучали твердый углеродный остаток, жидкие фракции и газ, которые образовывались после переработки. Кроме того, с помощью каталитической установки они проверяли, подходит ли полученный газ для производства жидкого топлива методом Фишера — Тропша.

«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. При этом получаемый газ по составу подходит для дальнейшей переработки в жидкое топливо. Это особенно важно, ведь энергозатраты напрямую влияют на себестоимость конечного продукта, особенно в энергодефицитных труднодоступных населенных пунктах,
— отмечает один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Табакаев.

Лучшие результаты показали неорганические добавки. Оксид железа позволил увеличить энергетическую отдачу процесса в 4,3 раза по сравнению с переработкой угля без добавок, а оксид меди — в 2,9 раза. Органические отходы также оказались эффективными: навоз повысил показатель эффективности в 1,6 раза, а скорлупа кедрового ореха — в 1,3 раза. «Смесь скорлупы кедрового ореха и угля в процессе переработки дали синтез-газ с оптимальным составом для его последующей переработки в топливо. 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», — добавляет ученый.

Исследователи также определили параметры, при которых пиролизный газ можно наиболее эффективно превращать в жидкое топливо. Оптимальной оказалась температура около 260 градусов Цельсия и давление до 12 бар. «Наши исследования показали, что добавление поглотителей немного снижает количество жидких топлив, которые можно получить в перерасчете на килограмм угля. Однако на производство одного килограмма готового топлива требуется в 1,2-3,6 раза меньше энергии. Этот показатель в перспективе намного важнее, поскольку расход энергии на производство во многом определяет цену итогового топлива, полученного из углеродного сырья, — подытоживает учёный.

В исследовании участвовали специалисты Исследовательской школы физики высокоэнергетических технологий, Инженерной школы энергетики и Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета, а также Тюменского государственного университета.