Год издания: 2022
Ключевые слова: тепломассообмен, аэродинамика, вихревые многофазные турбулентные реагирующие течения, физическое и математическое моделирование, бесконтактные методы диагностики, 3D численные расчеты, способы управления процессами переноса, перспективные вихревые топочные устройства, горение низкокачественного угля, энергоэффективность, экологическая безопасность
Аннотация: Тема проекта «Изучение процессов переноса в перспективном вихревом топочном устройстве» лежит в русле фундаментальной научной проблемы изучения закономерностей аэродинамики и тепломассообмена в многофазных закрученных реагирующих потоках. Результаты исследований, выполненных на основе передовых методов физического и численного модеПоказать полностьюлирования, направлены на развитие научных основ создания энергоэффективных и экологически безопасных теплоэнергетических технологий.?Изучаемая научная проблема сохраняет свою актуальность в рамках продления проекта 2022, направленного на получение новых научных знаний в области горения органического топлива применительно к созданию новых энергоэффективных вихревых технологий совместного сжигания углеродосодержащих техногенных отходов и некондиционного жидкого топлива для экологически безопасного производства энергии. ?Уголь является одним из самых распространенных и дешевых ископаемых топлив. В современном мировом производстве электроэнергии доля угля составляет около 40%, а ежегодное потребление превышает 3,7 млрд. тонн н.э. Однако уголь является и одним из самых «грязных» топлив, сжигание которого сопровождается высокими выбросами COx, NOx, SOx, образованием большого количества золошлаковых отходов, летучей золы с высоким содержанием тяжелых металлов и токсичной воды, загрязненной радионуклидами. Тем не менее, согласно прогнозам Мирового Энергетического Агентства (IEA) и другим источникам даже с учетом ужесточения климатической и экологической политики, роста потребления природного газа и развития возобновляемой энергетики, спрос на уголь в перспективе до 2040 года будет сохраняться стабильным. Таким образом, вредное экологическое воздействие угольной энергетики может быть уменьшено только путем улучшения технологий его использования. На этом фоне импульс развития получили безуглеродные технологии, призванные минимизировать вредное воздействие от использования угля.?Вторым по величине источником энергопотребления по прогнозам до 2040 года остается нефть. При этом ежегодное накопление нефтяных шламов во всем мире составляет 160 млн. тонн., а ежегодное мировое накопление только одного отработанного смазочного масла превышает 20 млн. тонн, что подчеркивает масштабы экологической угрозы. При правильном использовании таких источников энергии они также могут быть альтернативой качественным видам топлива, при одновременном решении экологической проблемы.?Решение задач правильного обращения с отходами требует создания новых технологий и оборудования, основанных на глубоком научном понимании закономерностей физико-химических процессов, определяющих характеристики сжигания в зависимости от динамических и тепловых условий, реализуемых в конкретных горелочных устройствах. Применение вихревых технологий при сжигании низкореакционного топлива позволяет интенсифицировать процессы, увеличить время пребывания частиц топлива в камере сгорания, повысить степень выгорания углерода топлива. Таким образом, изучение процессов переноса в вихревых реагирующих потоках при горении органического топлива является актуальной научной проблемой.?В рамках научной проблемы изучения процессов переноса в многофазных закрученных реагирующих потоках применительно к созданию новых энергоэффективных технологий сжигания углеродосодержащих техногенных отходов для экологически безопасного производства энергии новые задачи в рамках Проекта 2022 направлены на изучение процессов при совместном горении смеси измельченного угольного топлива и жидкого углеводородного топлива в условиях паровой газификации в новом вихревом горелочном устройстве.?Основные результаты авторов, полученные в рамках проекта 2019-2021, относятся к четырехвихревому топочному устройству для сжигания низкокачественных углей. Такие топки являются эффективными для ТЭС и могут иметь мощность до 300 МВт. Однако конструкция этой топки не является эффективной для малых и средних мощностей, в силу ограничений, связанных с особенностями процессов сжигания в ней. В то же время очень часто существует потребность в локальных котельных с небольшой мощностью для обеспечения тепловой (и электрической) энергией собственных нужд производственных компаний, например, таких как, угле- и нефтедобывающие и перерабатывающие предприятия. С одной стороны, это зачастую связано с удаленностью таких объектов от центральных энергосетей, а с другой – со скоплением на территории этих компаний большого количества невостребованных горючих производственных отходов, использование которых необоснованно по причине переменного химического состава (требующего использования разных технологий сжигания), низкой теплотворной способности, большого количества влаги, проблем со стабильность воспламенения, высокими токсичными выбросами. Эффективное использование горючих отходов для производства энергии (в том числе, в малой энергетике) требует создания новых универсальных технологий сжигания, разработка которых должна опираться на современные научные знания. ?Авторами на протяжении последних лет активно исследуется экологически безопасный способ сжигания жидкого топлива в струе перегретого водяного пара. Одним из его особенностей является распыление топлива высокоскоростной струей пара без использования форсунок. Это обеспечивает мелкодисперсное распыление и топливную гибкость, что позволяет эффективно сжигать жидкие горючие отходы, исключая проблемы коксования, засорения топливных форсунок и др. Кроме этого, подача пара в зону горения приводит к паровой газификации топлива, что дополнительно повышает полноту выгорания. Также пар снижает температуру пламени за счет разбавления горючей смеси более теплоемкой средой, тем самым сокращая образование термических оксидов азота и CO. Авторами показана эффективность применения такого способа при сжигании жидких горючих отходов. Указанные преимущества предложенного способа сжигания в струе пара в рамках настоящего проекта предлагается использовать для сжигания угольного топлива. Однако одиночное угольное топливо в паромасляных горелках не горит (по ряду факторов), поэтому предлагается его совместное сжигание с жидкими углеводородами (в т.ч. отходами).?Идея совместного сжигания жидких и твердых углеродосодержащих отходов связана с тем, что низкореакционное угольное топливо при одиночном сжигании плохо воспламеняется, нестабильно горит, требует «подсветки» дорогостоящими газом или мазутом. Кроме этого, сжигание распыленного угольного топлива в горелках малой мощности не оказывается эффективным по причине длительного времени выгорания частиц топлива и более низких температур. Совместное сжигание твердого и жидкого топлива обеспечивает устойчивое воспламенение угольного топлива за счет быстрого испарения диспергированного жидкого топлива и поддержания необходимой для горения угля температуры в камере сгорания. Закрутка потока позволяет увеличить время пребывания частиц топлива в камере сгорания, что повышает степень выгорания углерода при относительно небольших размерах и мощности устройства. Проведенные предварительные опытные испытания показали устойчивое воспламенение мелкодисперсного угольного топлива при сжигании с жидкими углеводородами в потоке перегретого водяного пара (доп. файл). Полученные в ходе выполнения исходного проекта 2019 закономерности и характеристики аэродинамики и процессов переноса в закрученном реагирующем турбулентном потоке будут применимы для создания нового вихревого горелочного устройства для совместного сжигания твердых и жидких горючих отходов, использующем для горения перегретый водяной пар. ?Новые научные задачи направлены на получение закономерностей при совместном сжигании твердого и жидкого органического топлива в условиях паровой газификации в новом вихревом горелочном устройстве малой мощности (доп.файл). Задачи Проекта 2022 обладают оригинальностью, научной новизной и практической применимостью. Ожидаемые новые научные результаты мирового уровня позволят опубликовать их в ведущих зарубежных научных журналах и будут востребованы при разработке универсальной технологии энергоэффективного и экологически безопасного сжигания горючих отходов.?Научная значимость проекта определяется важностью полученных результатов для развития таких отраслей знания, как теплофизика и механика многофазных реагирующих сред. Полученные результаты внесут вклад в развитие представлений о закономерностях физико-химических процессов при сжигании органического топлива с подачей перегретого водяного пара и в создание научных основ разработки перспективных теплоэнергетических технологий.?Новизна проекта обусловлена как новизной конкретного объекта исследования - способ совместного сжигания твердого и жидкого органического топлива в условиях паровой газификации и закрутки потока и новое вихревое горелочное устройство для его реализации (способные к правовой охране), так и новизной результатов, полученных с применением передовых экспериментальных и численных методов, создающих основу для развития нового направления исследований в рамках теплоэнергетики и опубликованных в высокорейтинговых рецензируемых журналах. ?Научное единство проектов обосновано применением апробированного авторами арсенала современных экспериментальных и численных методов, современных стендовых установок и математических моделей при исследовании процессов горения угольного топлива, процессов горения жидкого топлива в струе водяного пара, процессов переноса в вихревых потоках. Объединение опыта авторов и полученных результатов, в том числе, в рамках Проекта 2019, позволило предложить новый объект научных исследований для реализации конкретной междисциплинарной практической задачи, направленной на экологически безопасную утилизацию горючих органических отходов с получением тепловой энергии. Взаимосвязь проектов также обоснована составом научной группы, которая на 80% состоит из участников завершающегося проекта.