Уголь остается одним из важных источников энергии и сырья. Однако его энергетическое использование постепенно снижается из-за большого количества выбросов вредных веществ. Поэтому ученые во всем мире ищут способы перерабатывать его в более ценные продукты, например, газообразные и жидкие топлива. Одним из современных и перспективных методов такой переработки считается микроволновый пиролиз, то есть нагрев с помощью микроволнового излучения. Однако сам уголь не всегда достаточно эффективно «ловит» микроволновую энергию. Из-за этого процесс запускается медленнее, длится дольше и требует больше электричества.
Ученые Томского политеха подобрали из доступных материалов специальные добавки, которые помогают углю лучше взаимодействовать с микроволновым излучением. В качестве добавок выступили неорганические соединения — оксид железа и оксид меди, а также органические вещества — навоз крупного рогатого скота и скорлупа кедрового ореха. Их добавляли в количестве 10% к каменному углю в процессе микроволнового пиролиза. В процессе ученые анализировали продукты реакции — твердый углеродный остаток, жидкие фракции и газ. Отдельно с помощью каталитической установки проверяли состав газа — можно ли из него с помощью метода Фишера-Тропша получить жидкое топливо.
Установлено, что неорганические добавки показали лучшие результаты по снижению энергозатрат на пиролиз: оксид железа позволил увеличить энергетическую отдачу процесса в 4,3 раза по сравнению с переработкой угля без добавок, оксид меди — в 2,9 раза. Органические добавки, являющиеся отходами производств, также снизили энергозатраты: добавление навоза повысило показатель эффективности в 1,6 раза, а скорлупы кедрового ореха — в 1,3 раза.
Ученые также установили оптимальные параметры, при которых газ лучше превращается в жидкое топливо. Эксперименты показали, что оптимальная температура синтеза должна быть около 260 °C 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», — резюмировал ученый.
В исследовании принимали участие ученые Исследовательской школы физики высокоэнергетических технологий, Инженерной школы энергетики и Инженерной школы природных ресурсов Томского политеха, а также Тюменского госуниверситета. Исследование поддержано федеральной программой Минобрнауки России «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети». Результаты работы ученых опубликованы в журнале Energy (Q1, IF: 10,1).
