Цивилизация
Российские технологи изучили горение отходов лесозаготовительного производства разной формы и степени измельчения. Создание канавок позволило увеличить поверхность частиц на 30%. Оказалось, что по сравнению с гладкими опилками изрезанные сгорают на 30–40% быстрее. Результаты работы представлены в журнале Fuel. Исследования поддержаны Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.
«Стоит отметить, что использование древесной биомассы решает сразу несколько проблем теплоэнергетики. Кроме снижения концентраций опасных оксидов серы и азота, обычно выделяющихся при горении угля, продлевается срок службы оборудования, повышается надежность и безопасность технологического процесса. Это связано со снижением загрязнения поверхностей топки при сжигании древесины», – поясняет Семен Сыродой, кандидат технических наук, сотрудник Томского политехнического университета.
Проблема нехватки топлива стоит сегодня наиболее остро. Ископаемые источники заканчиваются, поэтому древесина приобретает все большее значение в качестве энергоносителя. Однако использование традиционных источников энергии, таких как уголь и газ, ведет к загрязнению окружающей среды. По этой причине необходимо искать новое, дешевое топливо. При заготовке леса образуются тонны отходов: стружка, опилки и кора. Вместо того чтобы просто оставлять древесную биомассу размокать и гнить в почве, ученые из Томского политехнического университета предложили использовать ее для получения топлива. В отличие от угля древесина не содержат соединений серы и при горении не выделяет вредных газов. Таким образом, новое топливо окажется более экологичным.
Измельчение биомассы приводит к увеличению площади поверхности и, соответственно, улучшает доступ кислорода к ней. Поэтому горение таких опилок проходит быстрее. Но дробление древесных частиц до оптимального размера – около нескольких тысячных долей миллиметра – стоит довольно дорого и требует использования специальных мельниц. Ученые заметили, что в процессе измельчения на поверхности древесных частиц образуются мелкие трещины и каналы, которые могут значительно увеличить площадь поверхности и ускорить горение.
Чтобы доказать, что разные поверхностные углубления влияют на процесс сгорания опилок, ученые помещали образцы в специальную высокотемпературную цилиндрическую камеру, заполненную окислителем. Частицы древесины предварительно нарезали в форме кубиков со сторонами 4 миллиметра, а на их грани наносили от одной до четырех канавок. Весь процесс зажигания и горения фиксировали высокоскоростной видеокамерой. По результатам серии экспериментов ученые установили время горения кусочков древесины каждого типа. Так, частицы с четырьмя канавками сгорали быстрее остальных.
Кроме того, ученые разработали математическую модель, описывающую воспламенение частиц древесной биомассы. Она учитывает комплекс процессов распространения тепла, протекающих совместно с испарением воды и термическим разложением топлива. Также авторы рассчитали распределение температур и концентраций кислорода и углекислого газа в малой окрестности частиц в момент их воспламенения. В отличие от уже существующих, новая модель учитывает влияние поверхностных дефектов на горение топлива.
