Развитие фундаментальных основ перспективных энергоэффективных и экологически чистых технологий для широкого класса приложений, включая энергетику, биоинженерию и химическую промышленность

Настоящий отчет содержит описание основных результатов, полученных в рамках Проекта Ф 1, III.18.2.1 Цель исследования – развитие фундаментальных основ создания перспективных энергоэффективных и экологически чистых технологий, включая: - получение новых фундаментальных знаний о процессе горения и газификации углеродосодержащих топлив в потоке газа различной реакционной способности с добавлением водяного пара и наночастиц активных металлов, с использованием технологий плазменной и механохимической активации; - научное обоснование новых методов диагностики и управления процессами тепломассопереноса переноса в энергетических системах; - совершенствование методов экспериментального и численного моделирования нестационарных процессов в элементах энергетического оборудования, относящихся к задачам тепло-, гидро- и ветроэнергетики. В рамках выполнения проекта Изучены процессы газификации механоактивированного угольного топливо различной степени метаморфизма в вихревом горелочном устройстве тепловой мощностью до 5 МВт при различных избытках воздуха, расходах топлива и условиях зажигания, было проведено исследование устойчивости горения пылеугольного факела в холодном пространстве. Показано, что углеродосодержащие отходы являются возобновляемым энергетическим сырьем, а их переработка в плазме методом высокотемпературной газификации обеспечивает получение высококалорийного топливного газа для сжигания в электрогенерирующих агрегатах. В модели переноса излучения основанной на методе конечного объема реализована подмодель, описывающая оптические свойства угольных частиц: индикатрису рассеяния, спектральные факторы ослабления (затухания), рассеяния и поглощения. Проведенные тестовые расчеты подтвердили достаточную точность выбранных моделей и показали их вычислительную эффективность. Разработана математическая модель и проведено 3D моделирование процессов аэродинамики, тепломассопереноса и горения пылеугольного топлива в топочной камере опытно-промышленного котла. Результаты сопоставления основных количественных параметров, таких как температура, концентрация газов и скорость потоков, показали хорошее соответствие с экспериментальными данными для базового варианта работы котла. Для варианта топки с организацией трехступенчатой схемы сжигания моделирование показало, что по сравнению с базовым вариантом топки происходит сокращение NOх на 29 %, почти в три раза уменьшается механический недожег топлива и снижается тепловая нагрузка на экранные поверхности нагрева. Разработаны и изготовлены перспективные оптимизированные профили теплообменных труб для абсорбера АБТТ. Профиль первого типа представляет собой продольную накатку с четырьмя бороздами, профиль второго типа – спиральную накатку с несколькими бороздами. Эффективность работы абсорберов АБТТ в основном зависит от площади смачивания теплообменных поверхностей рабочей жидкостью. Оценены площади смачивания оптимизированных профилей в режиме с падающей плёнкой жидкости в сравнении с гладкой трубой. Оценки показали, что на оптимизированных профилях площадь смачивания больше на ~20% по сравнению гладкой трубой. Разработаны чертежи на теплообменную трубу со спиральной накаткой и тремя бороздами. Данный профиль рекомендован к установке в абсорберах перспективных российских АБТТ. Проведены исследования, направленные на разработку технологий приготовления комплексных суспензионных углеводородных топлив с целью повышения теплотехнических характеристик топлив и утилизации промышленных отходов. Выполнены комплексные исследования кавитационного воздействия на физико- и теплотехнические характеристики суспензионных топлив, содержащих каменные или бурые угли, жидкие отходы пиролиза древесины (пирогенетическая жидкость (ПЖ)) и воду. Уголь предварительно измельчается на шаровой барабанной мельнице и вносится в комплексное топливо в виде порошка с размером частиц до 300 мкм. В процессе работы проводились экспериментальные исследования отдельных составляющих и общей погрешности установок. В результате численного исследования процессов тепломассопереноса и горения при комбинированном сжигании пылеугольного и газового топлива в вихревой топке ВТ2В получена и проанализирована предсказательная информация об аэротермохимической структуре двухфазного реагирующего течения в топочном объеме, получены теплотехнические и экологические показатели топки ВТ2В в режиме совместного сжигания распыленного тощего угля марки Т и природного газа, в т.ч. уровень эмиссии NOx составил 240 мг/нм3. Исследовалась передача углового момента через границу раздела двух несмешиваемых жидкостей в замкнутом вихревом потоке, генерируемом в неподвижном цилиндрическом контейнере вращающимся диском, который является верхним торцом цилиндра. При вращении диска на верхнюю, менее плотную жидкость начинает действовать центробежная сила, которая приводит к возникновению центробежной циркуляции верхней жидкости. Так как закрученный поток верхней жидкости вдоль боковой стенки движется от вращающегося диска к границе раздела, он переносит угловой момент к границе раздела, тем самым закручивая нижнюю жидкость в результате воздействия вязкого трения. Возникает вынужденная циркуляция нижней жидкости. С помощью визуализации течения и измерения окружной компоненты скорости выявлены закономерности формирования вихревого течения более плотной жидкости, расположенной под границей раздела и не имеющей прямого контакта с твердым диском, генерирующем вихревое движение. Установлено, что развитие центробежной циркуляции нижней жидкости аналогично тому, как это происходит в моножидкости. Полученные результаты представляют интерес для дальнейшего развития вихревых аппаратов и реакторов, обеспечивающих сложное вихревое движение ингредиентов для интенсификации массопереноса, оптимизации работы действующих установок и для проектирования новых устройств. Выполнено термодинамическое моделирование плазменной переработки твердых медико-биологических отходов в виде костных тканей в адиабатическом плазменном реакторе. Новизна раздела программы заключается в использовании плазменной технологии для экологически приемлемой и энергетически эффективной переработки медико-биологических отходов. В результате выполнения раздела программы будет разработана энерготехнология эффективной плазменной переработки твердых углеродсодержащих отходов с получением топливного газа и инертного минерального материала. Была накоплена обширная экспериментальная база данных на кавитационном гидродинамическом стенде. Проведены количественные измерения набегающего профиля скорости с использованием ЛДА системы. Для получения общей картины течения использовалась система высокоскоростной визуализации Photron Fastcam Nova S12, поля скоростей были получены с использованием PIV системы. Впервые разработана, изготовлена и испытана плазменно-дуговая электропечь для газификации углеродсодержащих отходов производительностью до 20 кг/ч. Экспериментальные исследования электродугового плазмотрона мощностью 50 кВт показали возможность беспрерывной работы его электродов от 500 часов и более. Полученные данные могут быть использованы для последующего развития эффективных и экологически чистых технологий газификации углеродсодержащих отходов.