Изучение горения жидких углеводородов в струе перегретого водяного пара применительно к разработке эффективных способов экологически чистой утилизации горючих отходов

Одним из способов снижения токсичных продуктов сгорания при сжигании топлива является впрыск пара в камеру сгорания. Водяной пар оказывается ряд положительных эффектов, что делает его эффективным для утилизации жидких горючих отходов: расщепляет сложные органические соединения и углеводороды, ускоряя процессы испарения и горения; снижает температуру пламени, подавляя образование NOx; распыляет топливо, исключая засорение и коксование форсунок при использовании отходов, увеличивает время выгорания топлива; увеличивает полноту выгорания топлива за счет реакции паровой газификации, повышает КПД и снижает расход топлива. Основные результаты авторов, полученные в рамках проекта РНФ 2018-2020 относятся к горению факела в струе пара в открытом пространстве. Разработанные и исследованные горелочные устройства испарительного (патент РФ 2579298, 2016) и распылительного (патент РФ 2647172, 2018) типов позволили успешно адаптировать способ горения в струе водяного пара применительно к сжиганию некондиционных видов жидкого топлива. Полученные результаты по выбросам токсичных оксидов азота NOx и монооксида углерода CO соответствуют действующим европейским нормативам (стандарт EN 267). Это обеспечивает применимость предложенного способа сжигания в струе пара для экологически безопасной утилизации жидких горючих отходов с производством тепловой энергии. Однако, условия проведенных исследований при горении факела в открытом пространстве отличаются от реальных условий на котле. В первую очередь это принудительная подача первичного и вторичного воздуха для горения, температура окружающей среды, а также геометрия топочной камеры. Указанные параметры оказывают значительное влияние на процесс горения топлива и их влияние необходимо детально исследовать при разработки перспективных горелочных устройств. В рамках указанной научной проблемы конкретной задачей предлагаемого проекта является исследование основных характеристик горения жидких углеводородов (в том числе – некондиционного топлива и производственных отходов) в струе перегретого водяного пара в условиях камеры сгорания котельной установки. Применяемое в исследовании оригинальное перспективное горелочное устройства основываются на новых принципиальных технических решениях, позволяющих за счет паровой газификации топлива в высокоскоростной струе обеспечить создание высокодиспергированного двухфазного потока, интенсивное воспламенение и полное выгорание топлива при низком производстве токсичных продуктов. Предлагаемое комплексное экспериментальное и численное исследование направлено на получение закономерностей влияния физических параметров (расход топлива, пара и коэффициент избытка воздуха), определяющих тепломассоперенос в горелочном устройстве, на характеристики сжигания (распределение температуры в факеле, тепловая мощность, энергоэффективность, уровень эмиссии токсичных продуктов сгорания). Управление режимными параметрами позволит оптимизировать технологию к реальным условиям для сжигания разных видов топлива. Измерения будут проведены на основе применения современных методов калориметрии, термографии и газового анализа. Для численного моделирования процесса сжигания жидких углеводородов в горелочном устройстве с подачей перегретого водяного пара будут применяться модель химического реагирования Eddy Dissipation Concept (EDC). Для моделирования турбулентных потоков будут использованы модели k-w SST, RSM (RANS, URANS). Процесс горения капель топлива рассматривается в виде следующих последовательных этапов: распыление в камеру сгорания, испарение и горение в газовой фазе. Численные расчеты будут выполнены с использованием CFD-пакета Fluent. Новизна проекта обусловлена как новизной конкретного объекта исследования (способы сжигания и диспергирования топлива в струе водяного пара – патенты РФ 2219435 (2003), 2647172 (2018), 2684300 (2019)) и разработанное оригинальное горелочное устройства для их реализации в условии камеры сгорания котла – патент РФ 2740722 (2021)), так и новизной результатов, полученных с применением передовых экспериментальных и численных методов, создающих основу для развития нового направления исследований в рамках теплоэнергетики и опубликованных в высокорейтинговых рецензируемых журналах. Предлагаемые в проекте научные исследования процессов горения жидких углеводородов будут обладать приоритетом и позволят получить новые научные результаты мирового уровня, которые внесут вклад в развитие представлений о закономерностях изучаемых процессов и в создание научных основ разработки перспективных теплоэнергетических технологий.