Исследователи из Томского политехнического университета нашли способ повысить реактивность низкореакционного угля с помощью жидких углеводородов, получаемых при пиролизе старых автомобильных шин. Это открытие потенциально решает сразу две важные задачи – утилизацию изношенных покрышек и повышение эффективности угольного топлива, которое по-прежнему остается важной частью мировой энергетики.
Пиролиз – это разложение материала при высокой температуре без доступа кислорода. В случае с автомобильными шинами при температуре около 500 °C резина распадается на три фракции: газ, твердый углеродистый остаток и так называемое пиролизное масло. Именно эта жидкость, богатая летучими углеводородами, и заинтересовала исследователей. Ее теплотворная способность достигает 43 мегаджоулей на килограмм, почти как у бензина, при этом содержание золы и примесей минимально.
Учёные добавляли полученные из шин углеводороды к низкореакционному каменному углю, который обычно воспламеняется с трудом и сгорает не полностью. Массовая доля добавки варьировалась от 2,5% до 20%. Смеси нагревали и испытывали в лабораторной печи при температуре 700 °C, фиксируя скорость зажигания, продолжительность горения и состав выделяющихся газов.
Результаты показали, что пиролизное масло значительно ускоряет процесс воспламенения. Если чистый уголь загорался примерно за 4 секунды, то при 20-процентной добавке – менее чем за секунду. При этом время горения выросло почти вдвое – с 27 до 49 секунд. Когда доля добавки составляла около 10%, температура начала активного окисления снижалась на 15-20 °C, что свидетельствует о росте реактивности топлива.
Эффект объясняется тем, что углеводороды начинают испаряться уже при 100-250 °C, образуя облако горючих паров, которое воспламеняется первым и словно «поджигает» уголь изнутри. Между твердой и газовой фазами образуется своеобразный энергетический мост: пары создают равномерное тепло, а продукты их горения облегчают поступление кислорода к углю. В результате пламя становится устойчивым, а тепловая мощность системы возрастает.
Тем не менее исследователи отметили, что чрезмерное количество добавки дает обратный эффект. При содержании жидких углеводородов выше 10% смесь становится вязкой, затрудняя поступление кислорода, и горение замедляется. Повышается доля угарного газа – признака неполного окисления. Таким образом оптимальное соотношение добавки 5-10%, при котором обеспечиваются быстрый розжиг, устойчивое пламя и приемлемый состав выхлопных газов.
Газоанализ показал, что при сгорании таких смесей увеличивается концентрация углекислого газа. Однако при слишком высоких температурах растет концентрация угарного газа и оксидов азота, которые участвуют в образовании смога и кислотных дождей. Поэтому для промышленных установок потребуется точная настройка подачи воздуха и температуры в зоне горения.
