Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Модернизирован закрытый огневой стенд на базе жидкотопливного водогрейного котла Viessmann Vitola 200, предназначенный для испытания горелочных устройств мощностью до 40 кВт. Установка работает по принципу проточного калориметра, тепло снимается теплоносителем с поверхностей топочной камеры и рассчитывается полезная тепловая мощность горелки. На выходе из установки регистрируется газовый состав в продуктах сгорания. Для более полного теплосъема на выходе из котла установлена вертикальная труба с активным охлаждением, позволяющая остудить продукты сгорания до комнатной температуры. Для отладки измерительных методик и модернизированной огневой установки на примере сжигания дизельного топлива проведены испытания серийной горелки Weishaupt WL5/1-B, предназначенной для работы на котле Viessmann Vitola 200. Проведенные исследования газового состава повзолили достичь заявленных паспортных показателей горелочного устройства при соотвествии экологическим нормативам и высокой полноте сгорания топлива. Сделан вывод о том, что созданная экспериментальная установка, применяемая измерительная методика и средства измерений обеспечивают достоверные испытания горелочных устройств. Разработан и создан лабораторный образец нового жидкотопливного горелочного устройства 50 кВт, реализующего способ сжигания жидкого топлива в струе водяного пара, работающий в условиях камеры сгорания котельной установки. За основу использована ранее изученная конструкция атмосферной горелки, в которой воздух для горения подается в камеру сгорания естественным образом, а горение факела осуществлялось в открытом пространстве. Принципиальным отличием новой конструкции горелочного устройства является принудительная подача первичного воздуха в камеру газогенерации (для воспламенения) и подача вторичного воздуха (для горения) в основание факела в камере сгорания котла. Тестирование созданной паромасляной горелки проводилось на дизельном топливе. Для измерений выбраны оптимальные соотношения пара и топлива на основе результатов предыдущих исследований авторов на атмосферных горелках. В процессе исследований варьировался коэффициент избытка воздуха в камере сгорания, за счет изменения расхода первичного и вторичного воздуха для горения. Исследования проведены для двух режимов по тепловой мощности горелочного устройства: 15 кВт – минимальная мощность котла; 37.5 кВт – близкая к максимальной мощности котла. Получены зависимости газового состава в продуктах сгорания, в том числе, CO и NOx от избытка воздуха в камере сгорания. Найдены режимы, при которых достигаются минимальные показатели по токсичным выбросам (СО=32 мг/кВтч, NOx=85 мг/кВтч), соотвествующие 3 классу европейского экологического норматива EN:267. Измеренное количество тепла в этих режимах в пределах погрешности измерений соответствует высшей теплоте сгорания используемого дизельного топлива. Оптимальный коэффициент избытка воздуха 1.15, концентрация пара в смеси с топливом – 45 %. Показано, что с увеличением мощности горелки для обеспечения высоких экологических показателей необходимо соблюдать найденные оптимальные соотношения пара и топлива. Проведено сопоставление полученных результатов с данными испытаний дизельной горелки серийного производства известного европейского бренда Weishaupt WL5/1-B (40 кВт). Анализ результатов показывает, что обе горелки обеспечивают низкие концентрации токсичных продуктов сгорания. Минимальные показатели оксидов азота NOx=50 мг/кВт ч для паромаслянной горелки оказываются в 3 раза ниже, чем у сравнимого аналога. Это позволяет отнести разработанную горелку к более жесткому 3 экологическому классу, согласно нормативу EN:267, в отличие от аналога, который согласно испытаниям и паспортным данным относится ко 2 классу норматива. При этом, минимальные выбросы монооксида углерода для разработанной горелки находятся на уровне CO=40 мг/кВт ч, и оказываются в 1.4 раза выше, чем у европейского аналога. Однако у обоих горелок эти значения, соответствуют 3 классу норматива. Дальнейшее снижения токсичных выбросов возможно за счет расширения диапазона управления режимных параметров при правильном масштабировании горелки. Важно отметить, что наиболее сложно в горелочных устройствах добиться именно снижения оксидов азота. Предложенное техническое решение за счет впрыска пара в камеру сгорания эффективно и успешно позволило существенно снизить содержание NOx. Таким образом полученные результаты позволяют сделать следующие выводы. Впервые проведены лабораторные испытания разрабатываемого авторами на протяжении нескольких лет паромаслянного горелочного устройства в условиях закрытой камеры сгорания. Управления показателями сжигания до нормативных значений осуществляется за счет возможности варьирования режимными параметрами: расход топлива, пара и воздуха. Полученные результаты испытаний на дизельном топливе свидетельствуют, что подача пара в камеру сгорания позволяет снизить оксиды азота в 3 раза в сравнении с серийным горелочным устройством известного европейского бренда. Это наиболее значимый практический результат проведенной работы, который позволяет заявлять разрабатываемую горелку как низкоэмиссионную. Показания по токсичным выбросам удовлетворяют самому жесткому 3 классу европейского норматива EN:267. При этом реализуемый в горелке способ формирования топливного спрея за счет воздействии струи пара на каплю топлива обеспечивает другое не менее важное техническое преимущество, позволяющее эффективно сжигать жидкие горючие отходы, исключая проблемы коксования и засорения. Для подтверждения этого эффекта на следующем этапе выполнения проекта будут проведены испытания горелочного устройства на примере сжигания некондиционных жидких топлив. Причем еще одним преимуществом разработанной горелки за счет использования пара является относительно малые габариты и мощность (от 10 кВт). В основном производители горелочных устройств для сжигания отходов используют более мощные горелки от 200 кВт. Это связано с тем, что отходы гораздо хуже горят, чем стандартное топливо, для их сжигания требуется гораздо больше времени сгорания и, соответственно, большие размеры камеры сгорания. На практике часто встречаются задачи теплоснабжения малых объектов с небольшой тепловой мощностью для решения которых необходима разработка специальных горелок. Результаты исследований обобщены и представлены в подготовленных научных публикациях в форме докладов на всероссийских конференциях, статей в высокорейтинговых научных журналах, входящих в базы Web of Science и Scopus (см. список публикаций). Всего 6 статей (индикаторов) из 10 заявленных на 2 года проекта, в том числе, 1 статья в жесткорецензируемом журнале Q1 Fuel (импакт-фактор 2020 – 6.609).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Получены данные о полезной тепловой мощности некондиционных видов топлива в зависимости от условий интенсификации процесса. Для этого использовался модернизированный закрытый огневой стенд на базе жидкотопливного водогрейного котла Viessmann Vitola 200, предназначенном для испытания горелочных устройств мощностью до 40 кВт. Получены значения количества выделяемого тепла при сжигании 1 кг топлива (за вычетом тепла затраченного на генерацию пара) 41.7 МДж/кг и 42.1 МДж/кг для исследованных режимов. С учетом погрешности измерительной системы (±2.5%) и потерь теплоты с уходящими газами, температура которых выше точки росы, полученные значения близки к значению низшей теплоты сгорания отработанного масла 42.5 МДж/кг, что подтверждает эффективность использования и сжигания жидких горючих отходов в том числе, для получения тепловой энергии. Для исследуемого топлива получены результаты газового анализа продуктов сгорания при варьировании режимных параметров. С использованием газоанализатора TESTO 350 было определено, что для заданных режимных параметров подачи воздуха в камеру газогенерации и камеру сгорания увеличение доли впрыскиваемого водяного пара ведет к снижению оксидов азота в уходящих газах. При увеличении доли пара по отношению к топливу с 0.55 до 0.66 выбросы оксидов азота сокращаются до 20%. Однако дальнейшее снижение не пропорционально увеличению расхода пара. Так, при увеличении доли пара с 0.66 до 0.82 значительного снижения содержания оксидов азота не наблюдается. Для выбросов монооксида углерода отмечается противоположная картина: увеличение расхода пара ведет к росту образования СО, что может говорить об интенсификации процессов паровой газификации с образованием синтез-газа. При увеличении расхода топлива (рост тепловой мощности) и при сохранении относительного расхода пара и коэффициента избытка воздуха, подаваемого в камеру газогенерации, уровень вредных выбросов изменяется слабо. Во всех случаях уровень СО и NOx лежит в узком коридоре значений, а минимальные выбросы наблюдаются при значениях коэффициента избытка воздуха 1.2. Проведено численное моделирование процессов турбулентного горения углеводородного топлива в новом горелочном устройстве в условиях камеры сгорания водогрейной установки. Изучены процессы тепломассообмена в камере сгорания водогрейного котла при разных мощностных нагрузках. Проведено сопоставление результатов численного моделирования с данными опытного сжигания. Показано что предложенная комплексная математическая модель корректно описывает основные параметры горения и уровень вредных выбросов при сжигании жидкого углеводородного топлива в струе перегретого пара в условиях камеры сгорания. Получены результаты вариантного численного моделирования процессов турбулентного горения углеводородного топлива в новом горелочном устройстве в условиях камеры сгорания водогрейной установки. Исследована зависимость физико-химических процессов в камере сгорания от количества подаваемого пара. Показано что добавление высокоскоростной струи перегретого пара позволяет интенсифицировать воспламенение и горение топлива, а также снизить уровень вредных выбросов (CO и NOx) при сжигании жидкого топлива в водогрейном котле. На основе анализа и обобщения полученных результатов получено, что для исследуемых видов топлива наименьшие совокупные выбросы (СО+NOx) зафиксированы при значениях коэффициента избытка воздуха 1.2 (соответствует концентрации кислорода в уходящих газах около 3.5% об.) и соотношении пар/топливо на уровне ⁓0,66. Данный показатель хорошо согласуется с полученной ранее экспериментальной статистикой по сжиганию различных жидких углеводородов в струе пара в лабораторных атмосферных горелочных устройствах. Относительный расход воздуха, подаваемый в камеру газогенерации не должен превышать 0.25. Варьирование мощностных характеристик в диапазоне 15-37 кВт, а также сохранение оптимальных параметров при изменении топлив показали, что указанные параметры (параметры пара и коэффициент избытка воздуха) являются определяющими для управления работой горелочного устройства и подбора оптимального рабочего режима в исследуемом диапазоне расходов топлива. Таким образом полученные результаты позволяют сделать следующие выводы. Впервые проведены лабораторные испытания разрабатываемого авторами на протяжении нескольких лет паромасляного горелочного устройства в условиях закрытой камеры сгорания при сжигании некондиционного топлива. Полученные результаты испытаний на таком топливе демонстрируют, что параметры пара и коэффициент избытка воздуха являются определяющими для управления работой такого горелочного устройства и подбора оптимального рабочего режима в исследуемом диапазоне расходов топлива. При использовании перегретого водяного пара физические параметры топлива слабо влияют на устойчивость воспламенения и оптимальные параметры работы устройства. Определяющим значением в процессах распыла топлива, его газификации и дальнейшего воспламенения в данной конструкции являются параметры пара и количества подаваемого воздуха. Поэтому использование разрабатываемых горелочных устройств применимо для решения задач сжигания топлив с различными физическими параметрами. Это делает их перспективными для решения проблемы эффективной, экологически чистой утилизации некондиционных жидких углеводородных топлив и производственных отходов. Результаты исследований обобщены и представлены в подготовленных научных публикациях в форме докладов на всероссийских конференциях, статей в высокорейтинговых научных журналах, входящих в базы Web of Science и Scopus (см. список публикаций). За второй год опубликовано 5 статей (индикаторов), в том числе, 1 статья в жесткорецензируемом журнале Q1 Energies (импакт-фактор 2021 – 3.252). За 2 года достигнуто перевыполнение индикаторов по публикациям относительно заявки: опубликовано 11 статей из 10 заявленных в плане.