Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают научные основы технологии применения экологически и экономически перспективного топлива из твердых и жидких отходов для котельных и тепловых электростанций (ТЭС).
Такое топливо, получившее название
«органоводоугольное», состоит из трех основных компонентов:
низкосортных углей
или отходов углеобогащения, различных
отработавших индустриальных масел или отходов
нефтепереработки, а также
воды. Подобные топливные композиции дешевле
энергетического угля. Их применение на практике позволит
решить ряд проблем, наиболее важные из которых — снижение
концентрации антропогенных выбросов угольных котельных и
ТЭС, а также
эффективная утилизация не востребованных до
настоящего времени промышленных отходов. Об особенностях
работы над перспективным для теплоэнергетики топливом
рассказали заведующий кафедрой автоматизации
теплоэнергетических
процессов ТПУ доктор физико-математических наук
Павел Александрович Стрижак и доцент этой же кафедры
кандидат физико-математических наук Дмитрий Олегович
Глушков.
— Когда начались работы по созданию, как сейчас принято говорить,
альтернативного источника энергии?
— По этому направлению наш научный коллектив, состоящий в
основном из сотрудников кафедр автоматизации
теплоэнергетических процессов, теоретической и промышленной
теплотехники, начал работать с 2013 г. В 2015 г. Российский
научный фонд (РНФ) поддержал нашу заявку в рамках конкурса
«Проведение фундаментальных научных исследований и
поисковых научных исследований с привлечением
молодых исследователей». Так, помимо сотрудников ТПУ к
нашему коллективу присоединились двое молодых ученых из Кемерова
и один из Красноярска. В соответствии с обязательствами по
конкурсу мы реализуем с ними совместные лабораторные и
натурные эксперименты, готовим соавторские публикации и
представляем полученные результаты на конференциях. Проект
рассчитан на три года, то есть 2015–2017 гг., с возможностью
продления еще на два года. Именно в рамках этого проекта мы
проводим все работы и получаем интересные результаты по
тематике органоводоугольного топлива (ОВУТ).
Первый год исследований в рамках гранта РНФ был посвящен
изучению фундаментальных закономерностей физико-химических
процессов, которые протекают при зажигании и горении
таких видов топлива. Помимо этого мы изучали свойства
отдельных компонентов и приготовленных составов топлива, а также
исследовали характеристики процессов зажигания и горения при
варьировании параметров большой группы факторов в
широком диапазоне.
Второй год исследований мы занимались разработкой физических и
математических моделей процессов горения одиночных и группы
капель. Нам удалось также провести натурные эксперименты на
модельном котле для оценки возможности масштабирования
полученных ранее результатов лабораторных исследований.
В течение третьего года мы разработали прогностическую
математическую модель процессов, протекающих при горении
топлива в топке котла, а также алгоритм комплексной оценки
перспективности применения топлива из горючих отходов в
теплоэнергетике.
— Какие характеристики наиболее важны для альтернативного
топлива?
— Характеристики органоводоугольного топлива (ОВУТ) могут
варьироваться в широких диапазонах. Однако при
использовании топлива на практике к нему предъявляются достаточно
жесткие требования. Основные эксплуатационные характеристики
— вязкость, значение которой должно позволять перекачивать
топливо по трубопроводам, перевозить авто- или
железнодорожным транспортом и распылять при помощи
форсунок, а также тепловой эффект процесса горения, значение
которого обеспечивает выделение требуемого количества теплоты в
процессе окисления горючего. Исходя в первую очередь из этих
значений, мы приготавливали топливные составы из большого
количества твердых и жидких компонентов
с разной номенклатурой и разным соотношением. Не менее важны
экологические индикаторы сжигания и стоимость топливных
суспензий.
— Из каких компонентов состоит ОВУТ?
— Оно состоит из трех основных компонентов. Первый — это
угольный. Как правило, мы используем низкосортные угли, например
бурые различных марок, или влажные отходы
углеобогащения, которые в настоящее время нигде не
используются, а просто складируются на огромных территориях в
окрестностях обогатительных фабрик. Обычно на долю угольного
компонента в составе топлива приходится от 40 до
60%. Второй «ингредиент» — горючая жидкость. Она
используется в небольшом количестве, от 10 до 20%, для
повышения теплового эффекта процесса горения топлива. Мы
используем горючие жидкие отходы, например отработавшие свой
ресурс масла — моторные, трансмиссионные, трансформаторные,
турбинные, которые нуждаются в утилизации. И третье, что
необходимо для создания органоводоугольного топлива, — вода,
причем ее качество непринципиально. Мы по этому поводу
опубликовали самостоятельную статью. Приоритетны различные стоки
промышленных предприятий, в которых могут содержаться горючие
компоненты, повышающие эффективность топлива.
Массовое содержание воды варьируется от 30 до 40%. Одно
из направлений нашей работы как раз связано с выбором этих
компонентов и их концентрации в составе топлива на основе
результатов исследования их характеристик.
— Вы получили оптимальные составы?
— Нам удалось создать хорошую экспериментальную базу более чем с
50 разными твердыми и жидкими горючими компонентами. Это
позволило приготовить и исследовать большое
множество составов ОВУТ, отличающихся как компонентами, так
и их массовой концентрацией. В результате выполненных
исследований удалось определить наиболее перспективные
составы топлива, которые достаточно дешевы по сравнению с
традиционным для теплоэнергетики угольным топливом, не
уступают ему по энергетическим характеристикам, а при их сжигании
выделятся гораздо меньше парниковых газов — оксидов
углерода, серы, азота. Мы опубликовали три статьи в
высокорейтинговых международных журналах с
индикаторами оптимальности, которые базируются на
экологических, экономических, энергетических и реологических
параметрах.
— Какой состав самый эффективный?
— По результатам выполненных исследований нами сделан вывод,
что топливо, состоящее из 55% влажного отхода углеобогащения
каменного угля, 30% воды и 15% моторного масла, наиболее
эффективно для применения в теплоэнергетике. Такой
вывод сделан на основании комплексного анализа, который мы
выполнили в рамках разработанного алгоритма, позволяющего
оценивать эффективность того или иного состава по
экономическим, экологическим и техническим характеристикам, а
также по их совокупности. По сути, мы собираем отходы,
стоимость которых невелика по сравнению с
традиционными энергоресурсами, и утилизируем путем
сжигания с выработкой полезной электрической и
тепловой энергии, тем самым освобождая огромные территории,
загрязненные отходами углеобогащения, а также полигоны,
заполненные горючими жидкостями для утилизации.
Отсюда логично вытекает следующее направление нашей работы —
исследования на фундаментальном уровне закономерностей и
характеристик процессов зажигания и горения топлива.
— То есть сами процессы горения вы тоже изучаете?
— Да, мы рассматриваем разные механизмы и условия нагрева
этих видов топлива для инициирования процесса горения — это
кондуктивный, конвективный и лучистый теплоперенос. Основная
задача подобных исследований — установить такие составы топлива и
условия нагрева, при которых время задержки зажигания капель
минимально. Этот результат имеет важное практическое
значение, так как позволяет оптимизировать массогабаритные
характеристики энергетического оборудования. Кроме того, мы
проводим оценку влияния внешних факторов, например температуры и
скорости воздушного потока, на интенсификацию процесса зажигания
топлива. Большой интерес представляют также закономерности и
характеристики процессов, которые протекают при горении
капель топлива: изменение структуры, эволюция температуры,
коагуляция и диспергирование капель, совместное влияние группы
капель и т.д. на характеристики исследуемого процесса.
— Какие установки создаете для экспериментов?
— В рамках реализации гранта РНФ нам удалось достаточно
существенно расширить техническую базу. Мы приобрели как
стандартное промышленное оборудование для моделирования разных
условий нагрева топлива, так и уникальные программно-аппаратные
комплексы высокоскоростной видеорегистрации быстропротекающих
процессов, оптической диагностики парогазовых потоков и
другое не менее важное лабораторное оборудование — регистраторы,
газоанализаторы, тепловизор, пирометр. Это позволило нам
разработать и смонтировать три основных экспериментальных
стенда для исследования процессов зажигания и горения
органоводоугольного топлива. Наибольшим функционалом обладает
экспериментальный стенд, основу которого составляет
цилиндрический канал из кварцевого стекла, а внутри него
генерируется поток разогретого воздуха с регулируемыми
параметрами — температура 20–11 000° C, скорость 0,5–5 м/с.
Данный стенд оснащен автоматизированной системой подачи одной
капли или группы капель топлива заданных размеров в поток
разогретого воздуха. Температура в окрестности капель топлива и
самих капель регистрируется в течение всего индукционного
процесса малоинерционными термопарами и
тепловизором. Высокоскоростная видеокамера и
специализированное программное обеспечение используются для
регистрации и установления характеристик процессов,
протекающих при нагревании, горении и выгорании топлива.
Особенности взаимодействия капли топлива с потоком воздуха
исследуются методами Particle Image Velocimetry (PIV) и
Laser Induced Phosphorescence (LIP) с
применением импульсного лазера, кросс-корреляционных
видеокамер и специализированного программного обеспечения.
Следует отметить, что описание аналогичных экспериментальных
стендов нам не встречалось даже в зарубежных периодических
изданиях, поэтому на разработанный экспериментальный стенд с
широким спектром возможностей был получен патент на
изобретение.
Проведение лабораторных экспериментов на стендах, моделирующих
реальные условия технологического процесса, позволяет нам
получать новые представления о протекании ранее не
изученных физико-химических процессов, а результаты таких
исследований становятся основой для разработки
математических моделей и теоретических следствий.
— А с точки зрения экологии? Как оценивали получаемое
топливо?
— Достаточно крупный блок наших исследований посвящен
экологическим аспектам процесса горения органоводоугольного
топлива. При сжигании такого топлива выделяются четыре основных
вредных газообразных вещества: СО, СО2,
SO2, NOx, то есть те же самые, что и при
сжигании угольного топлива на ТЭС, однако их концентрация в
дымовых газах существенно меньше, в некоторых случаях в
несколько раз. Полученный результат объясняется
особенностями протекания процесса горения в
полувосстановительной среде. Конечно, на котельных и
ТЭС смонтированы очистительные установки, но это
достаточно дорогостоящее оборудование, требующее периодического
проведения регламентных работ для поддержания
эффективности функционирования на заданном уровне.
Таким образом, при сжигании ОВУТ потребуется меньше затрат
на организацию системы очистки дымовых газов до нормативных
показателей.
Нами установлены также экстремальные режимы процессов зажигания и
горения топлива, для которых характерны максимальные и
минимальные концентрации парниковых газов в продуктах
сгорания. Полученные результаты уже опубликованы в нескольких
высокорейтинговых журналах, например Science of the Total
Environment, Journal of Hazardous Materials, Journal of
Cleaner Production.
— Планируете на практике проверить ваши выводы?
— В 2016 г. мы уже провели несколько тестовых испытаний на
энергетическом котле малой мощности в Кемеровской области. На
примере разных составов ОВУТ удалось добиться устойчивого
горения топлива в топке, а также зарегистрировать основные
характеристики процесса — температурное поле, содержание СО,
СО2, SOx, NOx в дымовых газах. Полученные
результаты были использованы для разработки математической модели
процесса и дальнейшего проведения теоретических
исследований.
Сейчас идет уже третий год реализации гранта РНФ, и мы
планируем его продление еще на два года. Накопилось много
идей, которые имеют практическую направленность и требуют
научного обоснования. Конечно, многое зависит от решения
фонда.
В перспективе мы планируем проведение натурных экспериментов на
энергетических котлах. По нашим предположениям, полученные
результаты станут основой для проведения опытно-конструкторских
работ при разработке новых котлов или при модернизации
существующих.
— В России будет востребовано новое топливо?
— Стоит отметить, что водоугольные технологии, аналог
разрабатываемой нами технологии, достаточно широко
распространены в странах Европы (Италия, Германия) и Азии (Китай,
Япония) по причинам ограниченности запасов полезных
ископаемых, а также жестких требований к экологическим
показателям ТЭС, функционирующих на органическом топливе.
Например, в Китае уже более 20 котельных и ТЭС работают на
суспензионных видах топлива. В нашей стране, по оценкам
специалистов, достаточно велики запасы жидких и газообразных
углеводородов. Их конкурентные преимущества, характеризующиеся
доступностью, развитостью системы трубопроводного
транспорта, переработки, хранения, ограничивают практическое
применение перспективных органоводоугольных технологий. Скорее
всего, только государственные меры поддержки, например
ужесточение требований к экологическим показателям угольных
ТЭС, могут дать импульс развитию и востребованности новых
технологий.
Беседовала Дарья Золотухина
