Камеру сгорания для кислородно-топливной энергоустановки с нулевыми выбросами разработали в Национальном исследовательском университете «МЭИ». В новой камере сгорания природный газ сжигается в смеси кислорода и диоксида углерода. Переход к кислородно-топливным энергоустановкам позволит решить проблему выбросов парниковых газов при производстве электроэнергии с КПД не ниже, чем у традиционных парогазовых установок. Разработанные в университете тепловые схемы кислородно-топливных энергоустановок, одним из ключевых элементов которых является разработанная камера сгорания, позволяют вырабатывать не только электричество, но и тепловую энергию, а также водород.
При сжигании топлива на теплоэлектростанциях в атмосферу выбрасываются парниковые газы, провоцирующие изменение климата. Чтобы энергетика стала более «зеленой», исследователи МЭИ ведут разработку новых решений для этой отрасли. Одна из технологий, способная свести к минимуму углеродные выбросы, — энергоустановки «полузакрытого» цикла с кислородным сжиганием топлива.
«Полузакрытые кислородно-топливные энергетические комплексы включают в себя следующие элементы: полузакрытый газотурбинный цикл с кислородным сжиганием топлива и углекислотным рабочим телом, воздухоразделительную установку и установку захоронения диоксида углерода. Одна из наиболее эффективных полузакрытых энергоустановок — энергоустановка на базе цикла Аллама*, — объяснил корреспонденту «Научной России» руководитель проекта, доцент кафедры инновационных технологий наукоемких отраслей НИУ «МЭИ» Сергей Константинович Осипов. — Разработанные на кафедре инновационных технологий наукоемких отраслей НИУ “МЭИ” тепловые схемы полузакрытых энергоустановок на базе цикла Аллама помимо электрической энергии позволяют получать тепловую энергию, а также водород при нулевых выбросах вредных веществ в атмосферу».
Конструкция камеры сгорания для кислородно-топливной энергоустановки с нулевыми выбросами.
Источник изображения: пресс-служба НИУ «МЭИ»
Разработка камеры сгорания велась под параметры энергоустановки на базе цикла Аллама, основным рабочим телом которого является сверхкритический диоксид углерода.
В процессе проведения исследований для ученых было важно определить состав топливной смеси, при котором обеспечивается устойчивое горение при максимальной полноте сгорания топлива.
Чтобы добиться максимального сжигания топлива, исследователи установили наилучшее соотношение кислорода и углекислого газа.
«В рамках проведенных численных исследований установлено, что оптимальная величина массового соотношения CO2 в смеси CO2-O2 равна 87,2%. Для обеспечения устойчивого горения и максимальной полноты сгорания топлива была разработана новая конструкция вихревого диффузионного горелочного устройства», — сказал С.К. Осипов.
Ученые также разработали решения для стабильного охлаждения теплонапряженных частей камеры, работающих при температурах выше 1500°C.
Разработка камеры сгорания велась под параметры энергоустановки на базе цикла Аллама — технологии получения энергии путем кислородного сжигания топлива с нулевыми углеродными выбросами.
Фото: пресс-служба НИУ «МЭИ»
«Определены геометрические параметры системы охлаждения (диаметр, шаг расположения отверстий, угол наклона секций охлаждения), при которых создается устойчивая завеса охлаждающего потока диоксида углерода у стенки камеры сгорания», — пояснил С.К. Осипов.
«Разработанная конструкция камеры сгорания обладает тепловой мощностью 50 МВт. Диаметр жаровой трубы — 420 мм, а ее длина — 1,1 м. Для подтверждения ее характеристик в настоящее время проектируется модельный образец камеры мощностью 200 кВт, который планируется испытать на экспериментальном стенде. Работа по подготовке к экспериментальным исследованиям ведется в настоящее время на кафедре инновационных технологий наукоемких отраслей НИУ “МЭИ” в рамках проекта № 23-79-10291, финансируемого Российским научным фондом, — сообщил Сергей Константинович Осипов. — Результаты экспериментальных исследований позволят верифицировать методику численного моделирования процессов кислородно-топливного горения и использовать ее при конструировании камер сгорания энергоустановок большей мощности».
Где еще, помимо энергетики, могут применяться подобные установки для сжигания топлива с нулевыми выбросами?
«Основная область использования энергоустановки с нулевыми выбросами — энергетика, однако такие системы можно использовать и в других энергоемких отраслях, например для энергообеспечения предприятий нефтяной промышленности или металлургии. Избыток углекислого газа, образующийся в процессе эксплуатации энергоустановки на базе цикла Аллама, возможно направлять в нефтяные пласты для увеличения эффективности нефтеоотдачи», — отметил С.К. Осипов.
*Цикл Аллама — технология получения энергии путем кислородного сжигания топлива с нулевыми углеродными выбросами. В системах, созданных по этому принципу, углекислый газ, полученный при сгорании газифицированного угля или природного газа, не выбрасывается в атмосферу, а снова возвращается в цикл, за счет своего тепла позволяя затрачивать меньше ресурсов на поддержание высокой температуры для работы установки. Отличие цикла Аллама от «классических» схем — сжигание топлива в чистом кислороде. (Источник определения: сайт международного журнала «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE)).
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображений на превью и на странице: пресс-служба НИУ «МЭИ»
