Исследователи из Лаборатории катализа и переработки углеводородов НИТУ «МИСиС», научно-исследовательской лаборатории «Энергетика 4.0» 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.
