Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На примере дизельного топлива в работе исследован способ сжигания жидких углеводородов в горелочном устройстве испарительного типа с регулируемой подачей струи перегретого водяного пара в зону реакции. Определены зависимости температуры факела, тепловых и экологических показателей от расхода и перегрева пара. Показано, что при горении топлива в струе перегретого водяного пара содержание оксидов азота и монооксида углерода в продуктах сгорания оказывается существенно ниже предельно допустимых концентраций, установленных для данного типа горелочных устройств. Установлено, что относительный массовый расход пара, в отличие от температуры пара, оказывает сильное влияние на основные характеристики процесса горения. Максимальное тепловыделение достигается в режиме, при котором массовый расход пара равен половине массового расхода топлива. Разработана математическая модель процесса сжигания жидкого топлива в струе перегретого пара. Модель учитывает реальную пространственную геометрию горелочного устройства и особенности его работы. Модель основана на RANS подходе для моделирования турбулентности и на моделях химического реагирования, позволяющих учитывать конечные скорости химических реакций для детальных кинетических механизмов. Проведено подробное тестирование разработанной математической модели и численной методики. Выполнено сопоставление результатов численного моделирования с полученными экспериментальными данными. Сравнение с экспериментом проведено по распределению температуры на выходе из горелочного устройства. Показано хорошее согласие с экспериментом. В результате большого количества выполненных тестовых и верификационных расчетов окончательно определены основные подмодели разработанной методики расчета процесса сжигания дизельного топлива в струе перегретого пара. Для моделирования турбулентного течения была выбрана k-w SST модель. Для моделирования газофазного реагирования лучше всего себя зарекомендовала Eddy Dissipation Concept (EDC) модель. В качестве кинетического механизма разложения n-гептана (C7H16) выбран механизм, состоящий из 60 реакций. Для моделирования сажеообразования использовалась модель Мосса-Брукса с двумя уравнениями переноса для концентраций зародышей сажи и ее массовой доли. Радиационный теплоперенос учитывался посредством модели дискретных ординат (DO). Коэффициент поглощения газа рассчитывался по модели взвешенной суммы серых газов (WSGGM). Эффект сажи на радиационный перенос учитывался с помощью известной эмпирической корреляции. Выполнено подробное исследование влияния моделей турбулентности, моделей газофазного реагирования и механизмов химической кинетики на достоверность описания локальных и интегральных характеристик реагирующего потока в горелочном устройстве. Показано, что выбор модели турбулентности не оказывает значительного влияния на достоверность описания структуры рассматриваемого пламени. По распределению температуры на оси горелки все рассмотренные модели дали близкие результаты. Применение более совершенной модели RSM в данном случае по сравнению с моделями линейной вихревой вязкости не дало улучшение результатов моделирования. Исследование кинетических механизмов реагирования показало, что схемы с малым количеством реакций плохо описывают кинетику горения углеводородного топлива в паровоздушной смеси. С практической точки зрения оптимальным по точности и экономичности механизмом для моделирования рассматриваемого процесса следует считать механизм, состоящий из 60 элементарных реакции. Данных механизм незначительно уступает механизму из 42 реакций по вычислительным затратам, и при этом дает результаты, которые лучше согласуются с экспериментом. Дальнейшее увеличение количества моделируемых компонент и количества рассматриваемых реакций не приводит к существенному улучшению точности моделирования. Расчетный анализ моделей газофазного реагирования для данной задачи показал, что наилучшего результата удается добиться с использованием модели EDC (Eddy Dissipation Concept). Модель обрыва вихря EBU дает качественно неправильную форму факела, отличающуюся от наблюдаемой в эксперименте. Гибридная модель дает нефизичное потухание пламени. Проведены систематические расчетные исследования при сжигании жидких углеводородов с подачей струи перегретого водяного пара в исследуемой горелке. С помощью разработанной численной методики подробно исследована структура потока и пламени снаружи и внутри горелочного устройства. Анализ результатов моделирования показывает, что подача пара оказывает значительное влияние на процесс горения дизельного топлива. Увеличение относительного расхода пара приводит к более интенсивному сгоранию топлива внутри самой горелки, что в свою очередь приводит к тому, что большая часть топлива выгорает внутри горелки. В связи с этим, с увеличением подачи пара значительно снижается недожог, количество образующейся сажи и уменьшается значение окислов азота. Исследуемый новый способ сжигания обеспечивает высокие показатели процесса по энергоэффективности и экологической безопасности и может быть использован при разработке технологий утилизации некондиционных видов жидкого углеводородного топлива и производственных отходов с получением тепловой энергии. http://www.nsktv.ru/news/technology/novyy_sposob_ekologichnoy_utilizatsii_otkhodov_neftedobychi_issleduyut_novosibirskie_uchenye_260920180900/

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Предложен перспективный способ сжигания жидкого топлива при распылении струей перегретого водяного пара. Подача пара в зону горения обеспечивает паровую газификацию продуктов термического разложения и неполного сгорания топлива с образованием водяного газа (CO+H2), повышая степень выгорания углерода. Распыление жидкого топлива осуществляется высокоскоростной струей перегретого водяного пара, что обеспечивает образование мелкодисперсного потока при раздельной подаче топлива и окислителя в камеру сгорания. Такой способ распыления препятствует засорению топливных каналов и распылительных устройств и позволяет эффективно сжигать некондиционные жидкие углеводороды, решая одновременно проблему их утилизации. Вместе с тем, пар способствует расщеплению сложных органических соединений и углеводородов, ускоряя процессы испарения и горения. Подача пара в зону горения позволяет снизить температуру пламени, что может способствовать снижению оксидов азота. С использованием макроскопического объектива обеспечена возможность регистрации капель топливного спрея с размерами от 1 мкм. Установлено, что преимущественный размер регистрируемых частиц в области воспламенения топлива в горелочном устройстве составляет 1-2 мкм. По мере удаления от среза горелки, за счет увеличения времени нахождения в потоке пара, в т.ч. за счет испарения, количество более мелких частиц топлива увеличивается. Доля идентифицированных частиц с размерами более 20 мкм составляет 1%. Стоит отметить, что в потоке присутствуют частицы с размером <1 мкм. Измерение наноразмерных частиц оптическими методами пока еще представляет определенную трудность, связанную с ограничением приборных возможностей. Вместе с тем, для эффективного сгорания жидкого топлива достаточно чтобы размер частиц был 30-50 мкм. Таким образом проведенные исследования показали, что предложенный способ распыления топлива с запасом удовлетворяет этому условию, обеспечивая при этом принципиальное практическое преимущество при сжигании некондиционного топлива, исключающее засорение форсунок. На основе предложенного способа распыления жидкого топлива разработано горелочное устройство с увеличенной камерой сгорания и тангенциально расположенным выходным соплом. Такая конструкция позволяет повысить качество сжигания некондиционного топлива за счет увеличения времени пребывания в камере сгорания. На примере сжигания отработанного машинного масла проведена опытная оптимизация режимных параметров горелки для обеспечения устойчивого воспламенения и высокой полноты сгорания низкокачественных жидких углеводородов в струе пара. Получена режимная карта концентрации CO в равновесных продуктах сгорания. Срыв пламени соответствует предельной концентрации пара в смеси с топливом, а повышенные значения CO связаны с недожогом топлива (CO>500 ppm), вызванным ограничением максимальной мощности горелочного устройства. Для дальнейших исследований выбраны режимы, при которых значения оксида углерода минимальные CO<10 ppm. Такой выбор режимов связан с тем, что при минимальных значениях оксидов углерода обычно достигается высокая полнота сгорания топлива. С использованием тепловизионных и термопарных измерений получены распределения температуры в факеле горелочного устройства. Поле мгновенной температуры характеризует существенно турбулентный режим горения факела. Проведенный частотный анализ не выявил каких-либо периодических зависимостей температурных колебаний факела от параметров пара и топлива. Изотермы поля средней температуры имеют коническую форму, что характерно для диффузионного режима горения. Это означает, что на выходе из горелки поток содержит непрореагировавшие компоненты, которые догорают по мере поступления окружающего воздуха. Зависимости температуры факела от температуры пара не выявлено. Это связано с тем, что температура в камере сгорания существенно выше температуры пара и за счет конвективного и лучистого теплообмена температура в зоне смешения пара с продуктами термического разложения и неполного сгорания топлива достигает примерно одного значения для разной начальной температуры пара. Максимальная температура достигает 1240 С. С увеличением массовой концентрации пара наблюдается снижения уровня температуры. Это связано с разбавлением горючей смеси и снижением ее теплоемкости. Понижение температуры факела при наличии водяного пара может указывать на снижение образования термических оксидов азота. Полученные на втором этапе результаты опытной оптимизации горелочного устройства и температурные измерения в пламени позволяют на третьем этапе провести запланированные измерения тепловыделения реакции и газовый анализ, верификацию математической модели и выполнить комплексный анализ и обобщение полученных данных. В декабре 2019 года состоялась успешная защита диссертации руководителем проекта Ануфриевым И.С. на соискание ученой степени доктора технических наук на тему «Экспериментальное исследование процессов при сжигании жидких углеводородов в горелочных устройствах с подачей перегретого водяного пара». Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, стали основой при подготовке диссертации. Успешная защита докторской свидетельствует о высокой научной и практической значимости полученных результатов проекта. По результатам выполнения 2 этапа проекта подготовлены 4 статьи, индексируемые в базах данных Scopus и Web of Science, в том числе, 1 статья в высокорейтинговом журнале Fuel (Q1). В целом, план публикаций идет с перевыполнением планируемых показателей – за 2 года опубликовано 11 статей. Все планируемые результаты 2 этапа получены в полном объеме.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Разработано, создано и испытано новое маломощное горелочное устройство для низкоэмиссионной утилизации жидких горючих отходов. Новизна предложенного способа сжигания заключается в распылении топлива струей перегретого водяного пара, что исключает коксование и засорение при сжигании отходов. Принципиальная конструкция новой горелки (объем и форма камеры сгорания) позволяет увеличить время пребывания топлива в камере сгорания и направлена на повышение эффективности сжигания некондиционных жидких углеводородов. Впервые на примере дизельного топлива и отработанного машинного масла экспериментально изучены теплотехнические и экологические характеристики сжигания в новой горелке. Достигнуто устойчивое горение и обеспечена возможность low NOx сжигания жидких горючих отходов при малой мощности горелки. Проведено сравнение показателей сжигания в режимах с распылением топлива струей пара или струей нагретого воздуха. Построены режимные карты концентраций оксида углерода CO, установлены границы срыва пламени и области с высоким содержанием CO>500 ppm. В режимах с низкими значениями оксида углерода (CO<10 ppm) обеспечивается высокая полнота сгорания топлива, соответствующая высшей теплоте сгорания. При соответствующих режимах с паром и воздухом количество оксидов азота в режиме с паром ниже на 55% при сжигании дизеля, и ниже на 25% при сжигании waste oil. В режиме с паром значения NOx удовлетворяют нормативу EN:267. Разработана и проведена адаптация комплексной математической модели процесса сжигания дизельного топлива в струе перегретого пара к условиям в тракте модернизированного горелочного устройства с распылением топлива. Математическое описание горения углеводородного топлива включает в себя комплекс взаимосвязанных моделей, описывающих турбулентное движение газа, перенос тепловой и лучистой энергии, процессы горения, движения топливных капель и т.д. Получены результаты вариантного численного моделирования процессов турбулентного горения углеводородного топлива в модернизированном горелочном устройстве (см. доп. файл). Проведено исследование влияние расхода пара и топлива на структуру течения и физико-химические процессы в горелке и на выходе из сопла. Показано, что изменение расхода подачи пара оказывает значительное влияние на процесс горения дизельного топлива. Увеличение относительного расхода пара приводит к более интенсивному подсосу окислителя (воздуха) в камеру сгорания за счёт эжекции. В результате чего происходит практически полное сгорание топлива внутри горелки. Для выбранных режимов работы горелки наблюдается небольшое пламя на выходе из сопла. В связи с этим с увеличением подачи пара значительно снижается недожог. Анализ структуры течения внутри горелки показывает ее сложный закрученный характер. Высокоскоростная струя пара эжектирует спутный поток окислителя, топлива и горячие продукты сгорания, вызывая образование крупной зоны циркуляции и интенсивного перемешивания. Образовавшаяся зона циркуляции обеспечивает стабильное воспламенение и выгорание дизельного топлива. Получены результаты сопоставления расчёта с экспериментальными данными по температуре факела. Получено хорошее согласие по профилю средней температуры пламени на оси сопла горелки. Как и в эксперименте концентрация CO и NOx в продуктах сгорания для всех расчётных вариантов не превышает 50ppm и 0.77 г/кг, соответственно. Обобщение и анализ полученных результатов исследований позволяют сделать следующие выводы. 1) Реализован перспективный способ сжигания некондиционных жидких углеводородов в горелочном устройстве с распылением струей перегретого водяного пара. Специфика заключается в том, что горение распыленного жидкого топлива происходит при высокой концентрации перегретого водяного пара (массовое содержания пара по отношению к топливу 50-100%). При впрыске пара в камеру сгорания происходит реакция паровой газификации углеродосодержащих продуктов термического разложения и неполного сгорания топлива с образованием водяного газа (H2O+C->CO+H2). Образующийся синтез-газ сгорает в пламени, что приводит к повышению степени выгорания топлива. За счет разбавления горючей смеси паром происходит снижение температуры пламени, что сокращает образование термических оксидов азота и CO до уровня ниже предельно допустимых концентраций. В предложенном способе сжигания распыление жидкого топлива осуществляется струей перегретого водяного пара. За счет воздействия высокоскоростной струей перегретого водяного пара на каплю топлива происходит первичная атомизация и создание однородного топливного спрея. Это также повышает полноту сгорания топлива. При этом такой способ распыления топлива струей пара (без использования топливной форсунки) исключает проблему засорения и коксования топливных форсунок и дает возможность использования отходов с механическими примесями. Помимо этого, водяной пар расщепляет сложные органические соединения, из которых состоят горючие отходы, в т.ч. высоковязкие, тем самым сокращая время реакции и повышая эффективность сгорания топлива. 2) Разработано, создано и испытано новое маломощное горелочное устройство для низкоэмиссионной утилизации жидких горючих отходов. Принципиальная конструкция новой горелки (объем и форма камеры сгорания) позволяет увеличить время пребывания топлива в камере сгорания и направлена на повышение эффективности сжигания некондиционных жидких углеводородов. 3) Применительно к созданному горелочному устройству выполнено экспериментальное исследование характеристик газокапельного потока при распылении жидких углеводородов струей перегретого водяного пара или воздуха. С использованием современных бесконтактных методов в широком диапазоне режимных параметров получены данные о структуре двухфазного потока, дисперсном составе, пространственном распределении скоростей фаз. Определен преимущественный размер идентифицированных капель топлива, составляющий 1-2 мкм для дизельного топлива и отработанного машинного масла. Установлено, что изменения расхода несущей фазы, её температуры до прохождения форсунки, отношения расходов газа и топлива оказывают слабое влияние на дисперсный состав. 4) Впервые на примере дизельного топлива и отработанного машинного масла экспериментально изучены теплотехнические и экологические характеристики сжигания в широком диапазоне режимов работы созданного горелочного устройства. Достигнуто устойчивое горение и обеспечена возможность NOx сжигания жидких горючих отходов при малой мощности горелки. 5) Проведено сравнение показателей сжигания в режимах с распылением топлива струей пара или струей нагретого воздуха. Показаны существенные преимущества сжигания с использованием пара. 6) Получены распределения температуры в факеле, проанализировано влияние режимных параметров на уровень температуры. Установлено, что увеличение расхода пара приводит к значительному снижению температуры пламени благодаря увеличению теплоемкости горючей смеси при наличии водяного пара, что способствует снижению производства оксидов азота. 7) Построены режимные карты концентраций оксида углерода CO, установлены границы срыва пламени и области с высоким содержанием CO>500 ppm. В режимах с низкими значениями оксида углерода (CO<10 ppm) обеспечивается высокая полнота сгорания топлива, соответствующая высшей теплоте сгорания. При соответствующих режимах с паром и воздухом количество оксидов азота в режиме с паром ниже на 55% при сжигании дизеля, и ниже на 25% при сжигании waste oil. В режиме с паром значения NOx удовлетворяют нормативу EN:267. 8) Разработана и проведена адаптация комплексной математической модели процесса сжигания дизельного топлива в струе перегретого пара к условиям в тракте модернизированного горелочного устройства с распылением топлива. Математическое описание горения углеводородного топлива включает в себя комплекс взаимосвязанных моделей, описывающих турбулентное движение газа, перенос тепловой и лучистой энергии, процессы горения, движения топливных капель и т.д. 9) Полученные результаты достаточно полно характеризуют физико-химические процессы в исследуемом модернизированном горелочном устройстве при сжигании углеводородного жидкого топлива с добавлением пара. Разработанная комплексная математическая модель позволяет прогнозировать режимы при изучении процессов с целью оптимизации работы горелки. 10) В результате выполненного комплексного исследования научно обоснован перспективный способ энергоэффективного сжигания некондиционных видов жидкого углеводородного топлива и производственных отходов в струе перегретого водяного пара, обеспечивающий низкое содержание монооксида углерода, оксидов азота и сажи в продуктах сгорания, удовлетворяющее самым жестким экологическим нормативам. Технология сжигания жидких горючих отходов в струе пара обладает важной социальной и экономической значимостью, поскольку одновременно решает несколько актуальных проблем: 1) утилизация накопленных невостребованных жидких горючих отходов; 2) снижение выбросов токсичных продуктов сгорания в атмосферу; 3) повышение экономической эффективности за счет использования дешевых видов топлива для выработки энергии. Внедрение такой технологии может осуществляться на следующих технологических предприятиях: • Тепловые электрические станции. • Предприятия топливно-энергетического комплекса. • Производители горелочного и котельного оборудования. • Нефтеперерабатывающие заводы. • Нефтехимические предприятия. • Угледобывающие компании. • Суда по ликвидации аварийных разливов нефти. • Другие производственные предприятия с накопленными отходами. Дальнейшие работы должны быть направлены на совершенствование процессов при сжигании жидкого топлива и отходов в условиях, соответствующих реальным камерам сгорания котельных установок (в том числе, с управляемым расходом воздуха). Полученные при выполнении настоящего проекта результаты создали прочную научную основу, позволяющую планировать такие задачи. В связи с этим научной группой подготовлена заявка на продление настоящего проекта РНФ по исследованию характеристик сжигания жидких углеводородов в струе водяного пара в условиях закрытой камеры сгорания котельной установки мощностью 50 кВт. Управление режимными параметрами (расход пара, расход топлива, коэффициент избытка воздуха в камере сгорания) позволит оптимизировать технологию применительно к сжиганию разных видов топлива. Для этого будет использован созданный новый огневой стенд на базе котла Vissmann, позволяющий проводить испытания разрабатываемых горелочных устройств. В декабре 2020 года состоялась успешная защита диссертации исполнителем проекта Копьевым Е.П. на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему «Исследование горения дизельного топлива в условиях паровой газификации». Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, стали основой при подготовке диссертации. Успешная защита свидетельствует о высокой научной и практической значимости полученных результатов проекта. По результатам выполнения проекта план публикаций перевыполнен, подготовлены 13 статей, индексируемые в базах данных Scopus и Web of Science, в том числе, 2 статьи в высокорейтинговых журналах (Q1). Полученные результаты представлены на III Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики», Москва, МЭИ, 19-23 октября 2020 г. (заочное участие). Все планируемые результаты 3 этапа получены в полном объеме.