Ученые из ТюмГУ и ТПУ разработали и пустили в производство биоуголь из скорлупы кедрового ореха. Пеллеты из такого угля можно будет производить в количестве одной тонны в час.
Физики из Тюмени и Томска разработали биоуголь из скорлупы кедрового ореха / ©Getty images
Альтернативой древесному сегодня является биоуголь — продукт термического разложения органических и многих неорганических соединений биомассы, характеризующийся высокими теплотворными значениями, а также низким содержанием зольного остатка и отсутствием серы. Основные потребители этого продукта — рестораны и городские домохозяйства.
Сырье, пригодное для производства биоугля, берется в зависимости от региональных условий, в частности, типа произрастаемой биомассы и способов ее обработки. При этом наиболее распространенным видом сырья является древесина, мировые лидеры по экспорту которой — Россия, Новая Зеландия, США, Чехия и Канада.
Помимо древесины в качестве альтернативного сырья для изготовления биоугля может выступать скорлупа различных орехов, преимущество которой — ежегодное восполнение сырьевой базы без нанесения вреда лесному фонду.
Один из вариантов этого типа сырьевой базы — скорлупа кедрового ореха, которая производится в крупнотоннажных объемах на территории Китая и в сибирских лесах Российской Федерации. Сегодня наша страна — один из крупнейших производителей кедрового ореха в мире.
В журнале Biomass Conversion and Biorefnery вышла статья «Скорлупа кедровых орехов как ресурс для производства топлива для приготовления пищи» (биотоплива) тюменских и томских ученых-физиков Романа Табакаева, Канипы Ибраевой, Александра Астафьева, Дариги Алтынбаевой, Никиты Кузьменко, Юрия Дубинина, Кирилла Ларионова, Станислава Янковского и Николая Яшкова.
В работе описано получение биоугольных древесных пеллет (брикетов цилиндрической формы) из скорлупы кедрового ореха с добавлением специально обработанного крахмала картофеля в качестве связующего вещества.
Утилизация скорлупы кедрового ореха — актуальная задача для Сибирского региона, на территории которого расположено около 80 процентов запасов сибирской кедровой сосны в мире. Благодаря этому производство кедрового ореха в Сибири составляет 10-12 миллионов тонн ежегодно, при этом на скорлупу, являющуюся отходом, приходится до 60 процентов от веса самого ореха.
Для сохранности биоугля прибегают к его брикетированию или гранулированию. Согласно российскому стандарту, механическая прочность формованного топлива после испытания сбрасыванием должна составлять не менее 85 процентов, а механическая прочность после испытания на истирание — не менее 80 процентов. В связи с этим производители формованного топлива стремятся достичь именно этих высоких показателей, прибегая к использованию различных видов связующих веществ.
Физики уточняют, что, как правило, добавление связующего вещества увеличивает себестоимость формуемого топлива или снижает теплотехнические свойства, поэтому изготовители биоугля стараются минимизировать количество его добавки. Снижая затраты на процесс формовки, производители стремятся использовать в качестве связующего вещества отходы различных отраслей, например, биомассу, сульфитные щелоки, нефтешламы, каменноугольный пек и флюсы, лигнин (отход целлюлозно-бумажной промышленности), одновременно решая две задачи — получения стандартизированного топлива и утилизации отходов соответствующей отрасли. Однако необходимо учитывать, что к связующему веществу для приготовления пищи предъявляются дополнительные требования: оно при горении не должно образовывать вредных веществ, а также увеличивать зольность.
С точки зрения обеспечения экологичности горения целесообразно рассматривать связующие вещества на основе натурального сырья — биомассы, являющихся основой получения биоугля. В работах ученых показана возможность совместного прессования биомассы и угля, в результате чего получается прочное топливо. Однако такое топливо малопригодно для приготовления пищи из-за относительного высокого содержания летучих веществ в сформованном топливе. В связи с этим для использования в качестве связующего особый интерес представляют такие продукты переработки биомассы, как крахмал или декстрин.
Необходимо отметить, что скорлупа кедровых орехов и картофельный декстрин не содержат в своем составе серы. При горении такого топлива не выделяются вредные выбросы окислов серы, отсутствует неприятный запах. В результате выполненных физиками исследований предложен способ получения биотоплива в виде пеллет из скорлупы кедровых орехов и раствора картофельного декстрина.
Показана возможность реализации предложенного способа на оборудовании промышленного типа производительностью одна тонна пеллет в час. Отмечено, что прочность полученных промышленным способом пеллет превысила механические характеристики брикетов с аналогичным содержанием декстрина на лабораторном оборудовании. Брикеты по прочности соответствуют требованиям, предъявляемым к формованному топливу, выход летучих веществ не превышает 12 процентов, при этом теплота сгорания составляет более 31,73 МДж/кг.
Исследование характеристики скорлупы кедровых орехов ученые осуществляли после достижения ею воздушно-сухого состояния в лабораторных условиях. Таким образом, в результате выполненных учеными ТюмГУ и Томского политеха исследований предложен способ получения биотоплива. Технологические параметры формования пеллет установлены на лабораторных экспериментальных стендах. Показана возможность реализации предложенного способа на оборудовании промышленного типа, при этом отмечено повышение прочностных характеристик получаемого продукта.
