Ученые Томского политехнического университета изучают влияние формы частиц древесной биомассы на процесс воспламенения и горения. Это единственное в России подобное исследование в области возобновляемой энергетики. Полученные данные в перспективе помогут в создании энергоэффективной технологии сжигания альтернативного топлива и в разработке новых высокоэффективных камер сгорания котлов. Последнее применимо как в бытовой сфере, так и в промышленности.

Исследование политехников проводится при поддержке гранта Российского научного фонда. Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Renewable Energy (Q1; IF:8,634).

Сегодня в мире большое внимание уделяется активному внедрению возобновляемых источников энергии в общий баланс тепло- и электрогенерации. При этом одним из наиболее перспективных энергоносителей является древесная биомасса. Она представляет собой, как правило, фрагменты разных размеров и форм, которые формируются при лесопилении и деревообработке. Эти характеристики частиц топлива влияют на условия воспламенения. Ученые Томского политехнического университета исследовали процессы зажигания частиц древесины разных форм и размеров.

«В качестве материала был выбран кедр, который является наиболее распространенным в Сибирском регионе, а также отвечает главным технологическим требованиям биотополива — высокая теплота сгорания и высокое содержание горючих летучих газов, что улучшает процесс зажигания. Для эксперимента мы использовали частицы одинакового объема, но трех разных конфигураций — прямоугольный параллелепипед, куб и пластина. Они являются наиболее типичными характерными формами фрагментов биомассы», — рассказывает ассистент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова, кандидат технических наук Жанна Косторева.

Комплекс исследований проводился на экспериментальном стенде. В специальной камере сгорания создавались условия, соответствующие топочным устройствам котлов тепловых электростанций. Процессы нагрева и зажигания регистрировались с помощью высокоскоростной видеокамеры. После чего ученые их анализировали по полученным кадрам.

«В ходе экспериментов были обнаружены любопытные зависимости. При увеличении характерного размера частиц древесной биомассы, выполненных в виде прямоугольного параллелепипеда, сначала время задержки зажигания растет (что является очевидным следствием), но далее при переходе определенного порогового значения характерного размера частицы начинает уменьшаться. Это нетривиальные результаты с точки зрения классической теории процессов зажигания конденсированных сред, и они установлены впервые. Нам предстоит определить причины такого явления», — комментирует руководитель проекта, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова, доктор технических наук Семен Сыродой.

Также ученые выяснили, что увеличение размера частиц древесины, выполненных в виде куба, не оказывает влияния на динамику сгорания. Это говорит об отсутствии необходимости дробить биомассу до ультрамелкого состояния, что дает меньшие энергетические и экономические затраты на механическую подготовку топлива. Еще один перспективный результат, который получили исследователи: при равных массах частицы в форме пластины воспламеняются значительно быстрее, чем частицы, выполненные в форме куба и прямоугольного параллелепипеда.

На следующем этапе исследования политехники разработают полностью автономную и замкнутую математическую модель процесса воспламенения с учетом реальной конфигурации топливных частиц. Также в планах ученых проанализировать влияние влажности древесины на характеристики зажигания и горения. Еще один этап исследования будет посвящен определению влияния формы частиц на интенсивность образования антропогенных продуктов горения — оксидов серы и азота, а также диоксида углерода.