Ученые рассчитали, как повысить экологичность и эффективность сжигания мазутного топлива, на котором в России работают более двух тысяч котельных и семь ТЭЦ. Оказалось, что, используя водомазутную смесь вместо чистого мазута и располагая горелки, распыляющие топливо, под углом менее десяти градусов друг к другу, вредные выбросы в атмосферу удастся снизить на 9–14% и удешевить производство тепловой и электроэнергии на 10%. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Energy.
Мазуты применяются в качестве топлива в котельных и на морских судах, имеют низкую цену и выделяют большое количество тепла при горении. При этом использовать их разрешено только вдали от городов из-за вредных выбросов. Поэтому ученые ищут способы сделать использование мазутного топлива экологичнее.
При сжигании в нагревательной камере мазут распыляется горелками в виде капель — это называется первичным измельчением топлива. Если температура и содержание кислорода в камере недостаточны, чтобы зажечь капли топлива, то летучие вещества из них испаряются, в результате чего капли превращаются в твердые частицы, которые уже не горят. Такие частицы участвуют во вторичном измельчении топлива: сталкиваясь с ними, капли мазута дополнительно «дробятся», что повышает эффективность сгорания. Но, если капли оказываются слишком большими, они чаще долетают до стенок котла, загрязняя их сажей. Это приводит к излишнему нагреванию стенок и изнашивает оборудование. Чем меньше капли, тем легче они загораются и меньше сажи производят.
Сотрудники Томского политехнического университета (Томск) изучили, как можно изменить существующие технологии, чтобы уменьшить размер капель мазута в котлах. Воссоздав в камере возгонки условия котла (недостаток кислорода и высокую температуру), исследователи получили твердые частицы из капель мазута и изучили их структуру под микроскопом. Выяснилось, что частицы имеют пористую поверхность. При низкой скорости соударения капля прилипает к пористой частице, а режим измельчения капель требует более высоких скоростей. Далее на экспериментальном стенде авторы засняли на видео столкновение капли с такой частицей и проанализировали результат. Ученые проследили, как на эффективность измельчения влияют размер капли и частицы, угол взаимодействия между ними, а также скорость движения капли.
На основе этих наблюдений и ранее проведенных исследований авторы пришли к выводу, что, расположив горелки, распыляющие топливо в котле или двигателе внутреннего сгорания, под углом менее десяти градусов друг к другу, можно снизить затраты производства практически на 10% за счет более полного прогорания топлива. В России на мазуте работают 2357 котельных и семь ТЭЦ, он используется на морских судах. Модернизация, предложенная учеными, повысит их эффективность. При этом внедрение новых технологий не требует больших затрат и нового оборудования.
«Такая модернизация старого оборудования легко реализуема. Данная работа — это первый шаг для обоснования того, что есть смысл двигаться в этом направлении», — рассказывает Никита Шлегель, кандидат технических наук, руководитель проекта, поддержанного РНФ, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ.
Ученые подчеркивают, что использование водомазутной эмульсии вместо чистого мазута также повышает процент выгорания топлива и снижает уровень вредных отходов. При содержании воды в смеси около 10% капли топлива подвергаются микровзрывам — вода нагревается быстрее мазута и вскипает, дробя каплю на меньшие по размеру части.
«В дальнейшем мы планируем найти другие способы повысить экологичность использования мазутного топлива, чтобы расширить возможности его использования. Например, при помощи добавления примесей, которые минимизируют выбросы вредных веществ: сажи и сернистых соединений», — добавил Никита Шлегель.