Вихревая форсунка
обеспечивает
сверхчистое сжигание
отходов.
Усугубляющееся изменение климата побуждает человечество к повсеместному внедрению технологий с чистыми (а в идеале — почти нулевыми) выбросами. Сюда относятся разработки как более эффективных методов сжигания топлива, так и других видов горючих смесей. Например, биотоплива. Ставки на него оказались столь высоки, что Европейский союз увеличил производство биодизеля с 6,129 млн тонн в 2007 году до 14,11 млн тонн в 2018.
Биодизель стал новым альтернативой обыкновенному благодаря схожим с оригиналом свойствам и замкнутому углеродному циклу. Для его создания высоковязкие исходные масла проходят дорогой процесс переэтерификации, продукт которого уже обладает свойствами обычного дизельного топлива, подходит для смешивания и может быть адаптирован к обыкновенным дизельным двигателям. Этот процесс адаптации очень важен, поскольку топливные форсунки, стоящие в системах сгорания таких ДВС, очень чувствительны даже к небольшим изменениям свойств горючего. И это один из весомых минусов технологии.
Другой нюанс заключается в побочном образовании неочищенного глицерина; причём в больших объёмах. Хотя, конечно, впоследствии мы можем его использовать в различных пищевых и фармацевтических продуктах, но для этого также требуется довольно дорогая переработка. Как итог — затраты на утилизацию отходов делают производство биодизеля не только менее рентабельным, но и стремительно сокращают его влияние на процессы глобальной декарбонизации.
С другой стороны, отработанный глицерин может стать чрезвычайно дешёвым потенциальным топливом. Он обладает умеренной теплотворной способностью и высоким содержанием кислорода (O2), поэтому его можно сжигать в качестве биотоплива для сокращения выбросов углекислого газа при производстве электроэнергии. Но и тут есть преграды: его сжигание затруднено досадным сочетанием высокой температуры воспламенения и высокой же вязкости, ему свойственных, с ориентированностью обычных форсунок на топливо низкой вязкости.
Чистое и полное сгорание жидкого топлива определяется не только его химическим составом (например, замкнутым углеродным циклом биотоплива), но и сложным физико-химическим процессом распылительного горения. В исследовании этого аспекта и нашли лазейку учёные из Университета Бейлора. В опубликованной в журнале Fuel статье они представили новаторский метод эффективного сжигания биотоплива, разработанный в Лаборатории распыления и горения Cornerstone (CAC). Революционность идеи свелась к созданию вихревой форсунки Swirl Burst (SB), позволившей сжигать смеси глицерина и метанола с практически нулевыми выбросами.
Итак, обычные форсунки с трудом сжигают глицерин даже после нагрева — он слишком вязок, хоть и обладает умеренной плотностью энергии. Эффективная распылительная подача должна приводить к образованию мелких капель тумана, которые быстро испаряются, обеспечивая однородное смешивание паров топлива и воздуха. К сожалению, обычные инжекторы с этим не справляются, сначала создавая плёнку из жидкости, которая постепенно распадается на нити и в конечном итоге на слишком крупные капли даже при низкой вязкости, сравнимой с показателями воды. Более того, распыление с разрушением струи очень чувствительно к небольшим изменениям свойств топлива, попутно ещё больше усугубляя положение.
В отличие от этого, способность инжектора SB образовывать мелкодисперсный туман позволяет работать с глицерином без необходимости дорогостоящей предварительной обработки и нагрева топлива. И этого оказывается достаточно для обеспечения полного и чистого сгорания, что значительно сокращает выбросы угарного газа (CO), оксидов азота (NO) и других вредных загрязняющих веществ и может даже изменить экономику использования биотоплива.
Именно в этом кроется главное преимущество новой технологии: по заявлению доктора Лулин Цзян, ведущего автора исследования, инжектор SB позволяет сжигать различные смеси глицерина и метанола без внесения изменений в имеющееся оборудование. Это делает его идеальным для приближения электростанций к соответствию строгим нормам выбросов. Но, кроме этого, также позволяет производителям биодизельного топлива превращать отходы глицерина в пригодный для использования источник топлива, способствуя развитию экономики замкнутого цикла и сокращая выбросы углекислого газа при производстве той же электроэнергии.
Исследователи протестировали три различные по соотношению глицерина и метанола топливные смеси (50/50, 60/40 и 70/30 соответственно) при различных соотношениях массы воздуха и жидкости. Во всех случаях эффективность сгорания превысила 90%, но соотношение 50/50 привело к почти полному сгоранию с практически нулевыми выбросами CO и NOx даже в неотапливаемых и неизолированных установках для сжигания.
«Текущее исследование показывает, как вязкие биоотходы можно преобразовывать в чистую энергию с помощью технологии сжигания, — комментирует результаты доктор Цзян. — Продемонстрированная технологией устойчивость к высокой вязкости и гибкость в выборе топлива означают, что не только отходы глицерина, но и вязкие исходные масла для биодизеля и другие биомасла на основе отходов могут быть напрямую использованы для выработки энергии без дополнительной обработки, что значительно снижает стоимость биотоплива и тем самым потенциально стимулирует его широкое применение».
Обладая нешуточным потенциалом в снижении губительного воздействия биодизельной сферы промышленности на окружающую среду и повышении её рентабельности, данная работа может установить новый стандарт энергетических решений. Помимо этого, команда ожидает, что применённый подход и полученные результаты привнесут значительный вклад также и в академические исследования.
По материалам АРМК.
