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.

Древесная масса представляет собой фрагменты различных размеров и форм, которые образуются при лесопилении и деревообработке. Ученые ТПУ в качестве материала биомассы выбрали кедр, который является не только наиболее распространенной в Сибири древесной культурой, но и отличается высокой теплотой сгорания и высоким содержанием летучих газов – эти качества улучшают процесс зажигания. Исследователи в ходе эксперимента использовали частицы одинакового объема, но трех разных конфигураций — прямоугольный параллелепипед, куб и пластину. Частицы подгружались в камеру сгорания, условия которой соответствовали топочным устройствам котловых теплоэлектростанций. Процессы нагрева и зажигания фиксировались на высокоскоростную камеру, после чего ученые анализировали их по отснятым кадрам.

«В ходе экспериментов были обнаружены любопытные зависимости. При увеличении характерного размера частиц древесной биомассы, выполненных в виде прямоугольного параллелепипеда, сначала времена задержки зажигания растут (что является очевидным следствием), но далее при переходе определенного порогового значения характерного размера частицы времена начинают уменьшаться», – цитирует ТПУ руководителя проекта, доктора технических наук Семена Сыродоя. «Это нетривиальные результаты с точки зрения классической теории процессов зажигания конденсированных сред, и они установлены впервые. Нам предстоит определить причины такого явления».

Исследователи также выяснили, что увеличение частиц древесины, выполненных в форме куба, не влияет на динамику сгорания. При этом частицы в форме пластины при равной массе воспламеняются быстрее, чем частицы в форме куба или прямоугольного параллелепипеда. Результаты исследования могут повысить эффективность эксплуатации биомассовых установок, достоинством которых является надежность энергоснабжения. Если загрузка солнечных панелей и ветровых генераторов в США по итогам первых десяти месяцев 2022 г. составила 27% и 36% соответственно, то для станций на древесных отходах этот показатель достиг 59%. Загрузка таких установок зависит не от погодных условий, а от доступности топлива и динамики конечного энергоспроса. Поэтому выработка из древесных отходов сопоставима по надежности с генерацией из мазута, газа и угля.