Ученые Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН разработали технологию одностадийной экологически чистой переработки токсичных отходов биомассы посредством окисления сверхкритическим водокислородным флюидом. Благодаря этой технологии свиноводческое предприятие может вырабатывать большие объёмы горячей воды для повторного использования в технологическом процессе, то есть обеспечивать своё производство не только теплом, но и технической водой, снижая при этом нагрузку на окружающую среду. 

Переработка отходов биомассы вызывает интерес из-за возможности одновременного снижения нагрузки на окружающую среду и восстановления ресурсов. Отходы биомассы являются не только отходами III класса опасности, но и возобновляемым топливом с нулевым углеродным следом. Например, свинокомплекс численностью 100 тысяч голов ежедневно производит около 640 тонн отходов. Исходя из содержания воды в отходах (около 80%) и высшей теплоты сгорания сухой массы отходов (около 18 МДж/кг), легко оценить, что количество запасенной энергии в таком топливе составляет 2,3х1012 Дж. Это количество энергии эквивалентно тепловыделению при сжигании 64,7 тысяч кубометров природного газа с теплотой сгорания 35,6 МДж/м³.

Трудности переработки отходов заключаются в его сложном составе, включающем белки, жиры, углеводы, лигнин-содержащие и минеральные компоненты, а также высокой степени обводнённости (от 70 до 90%). Для переработки используют анаэробное сбраживание, пиролиз и сжигание. Однако анаэробное сбраживание нуждается в поддержании определённого температурного режима, что связано с дополнительными энергозатратами, а пиролиз и сжигание требуют предварительного удаления влаги, вместе с которой в атмосферу выделяются токсичные вещества.

Сотрудники лаборатории физико-химических процессов в энергетике Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН разработали экологически чистый способ переработки отходов биомассы, основанный на его окислении сверхкритическим водокислородным флюидом при температуре 600 °С и давлении 25 МПа. При переходе в сверхкритическое состояние (T > 374 °C, P > 22,1 МПа) вода становится эффективным растворителем неполярных органических веществ и газов, каталитически действует на окисление топлива, но не растворяет минеральные компоненты. С одной стороны, это ускоряет окисление, а с другой обеспечивает разделение органической и минеральной составляющих топлива.

«При поддержке Российского научного фонда (грант № 22-19-20003) и Правительства Новосибирской области (грант № р-10) нашим научным коллективом разработана конструкция проточного реактора, созданы методики и проведены детальные исследования состава продуктов, образующихся при газификации и окислении отходов биомассы в сверхкритической воде в зависимости от расхода реагентов, добавки щелочи и содержания кислорода в реакционной смеси. Особое внимание уделено составу и содержанию токсичных веществ (фенолов, полиароматических углеводородов, азотсодержащих ароматических веществ и ионов аммония) в водном эффлюенте, собранном на выходе из реактора. Показано, что переработка отходов посредством окисления в сверхкритическом водокислородном флюиде реализуется при меньшем количестве подводимой энергии и генерирует на порядки меньшее количество токсичных веществ, чем газификация в сверхкритической воде. Нами подобраны условия переработки отходов, обеспечивающие снижение концентрации токсичных веществ в водной фазе до уровня, не превышающего максимально допустимые концентрации веществ в сточных водах», — рассказывает руководитель работ, главный научный сотрудник лаборатории физико-химических процессов в энергетике ИТ СО РАН доктор химических наук профессор РАН Оксана Николаевна Федяева.

«Наши исследования проведены с использованием реактора производительностью 1 кг/час, однако реакторы масштабируются и при практической реализации могут быть использованы в виде блочной системы, с периодической очисткой от зольного остатка, обогащенного мелкодисперсным оксидом кремния. Поскольку теплотворная способность органических компонентов, содержащихся в отходах, не обеспечивает реализацию процесса без внешнего подвода тепла, на следующем этапе нашей работы мы планируем осуществить этот же способ окисления, но с добавлением метана или угля в качестве дополнительного топлива. Уже получены первые положительные результаты, обеспечивающие возможность автотермической реализации процесса», — отмечает Оксана Николаевна.

Статья «Отслеживание загрязняющих веществ в водных стоках при газификации и окислении отходов биомассы сверхкритической воде в проточном режиме» научных сотрудников Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН Оксаны Николаевны Федяевой, Сергея Владимировича Морозова и Анатолия Алексеевича Вострикова опубликована в  The Journal of Supercritical Fluids.

Источник: ИТ СО РАН.