Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Выполнены экспериментальные и теоретические исследования процессов горения группы топливных смесей и их отдельных компонентов из числа низкосортных топлив, а также твердых и жидких горючих отходов для установления механизмов и характеристик формирования шлаковых отложений и коррозионных дефектов на поверхностях нагрева, оценки их влияния на характеристики теплопередачи от источника к теплоносителю: 1. Получены характеристики совместного сжигания группы твердых низкосортных топлив, твердых и жидких горючих отходов. Выполнена оценка склонности индивидуальных топлив и топливных смесей к шлакованию поверхностей нагрева топок котлов. Установлено, что наивысшая относительная склонность к образованию прочных железистых отложений (показатель 0,54) характерна для каменного угля. При добавлении опилок к каменному углю и увеличению их доли в смеси данный показатель снижется. Склонность к образованию загрязнений на базе активных щелочей имеет минимальное значение (0,24) для каменного угля и увеличивается в 1,12–1,57 раз при увеличении доли опилок в смеси от 25 % до 75 %. Высокая склонность к образованию сульфатно-кальциевых отложений (показатель 0,64–0,77) зарегистрирована для каменного угля и смесей с долей древесных опилок 25–50 %. Средние значения по данному показателю характерны опилкам и смесям с долей биомассы 60–80 %. Показатель шлакования имеет высокие значения (0,78 и 0,76) для каменного угля и топливной смеси с долей опилок 25 %. С увеличением доли опилок до 75 % показатель шлакования снижается и имеет минимальное значение 0,63 для биомассы (без добавок). Применительно к модификации характеристик поверхностей нагрева установлено, что поверхностный слой образцов, модифицированных полировкой и шлифовкой, характеризуется содержанием углерода около 55 %, кислорода около 45 %. По результатам анализа спектра углерода установлено, что он представлен оксидной формой (286 и 288.7 eV) около 40 %. Последнее характеризует гидрофильные свойства смачиваемости, когда контактный угол составляет 85–92 градуса. Установлено, что поверхностный слой образцов (фрагментов поверхностей нагрева), модифицированных лазерным излучением, характеризуется содержанием углерода около 40 %, кислорода – около 60 %. Последнее является причиной того, что углерод преимущественно находится в окисленном состоянии, как и все остальные элементы, входящие в состав поверхностного слоя сталей. Также установлено, что образцы стали, модифицированные лазерным излучением, характеризуются большим количеством кислородных пиков (286, 287.5, 288.5 eV), соответствующих связям типа C-O; C=O; O-C=O. Высокое содержание кислорода на поверхностях стали, обработанных лазерным излучением, соответствует супергидрофильным свойствам смачиваемости. 2. Разработан новый подход к исследованию формирования шлаковых отложений и коррозионных дефектов, возникающих на поверхностях теплообменников топок котлов, основанный на комбинации методов профилометрии, микроскопии, адгезионной прочности, развертки потенциала и тока, измерения геометрических размеров методом «сидячей капли», а также рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Существенную роль на адгезию шлака и золовых отложений оказывает шероховатость, конфигурация текстуры и элементный состав поверхностного слоя стали. Сформулирована гипотеза о том, что основным фактором, влияющим на силу адгезии, является оксидный слой, причем сила адгезии между оксидным слоем и шлаком сильнее, чем между оксидным слоем и металлом. Установлено, что сила адгезии шлака на поверхности, обработанной лазерным излучением, меньше аналогичной характеристики на поверхности, обработанной механическим способом (шлифовкой и полировкой). При удалении шлаковых отложений с поверхностей стали, обработанных шлифовкой и полировкой, выявлена точечная коррозия. На поверхностях стали, текстурированных лазерным излучением, проявлений точечной коррозии после удаления шлаковых отложений не зарегистрировано. Принципиально новым результатом является полученная оценка характеристик коррозии поверхностей нагрева (сплавы и металлы) при взаимодействии с топливными смесями, содержащими жидкие углеводороды, и продуктами их испарения. Установлено, что коррозия конструктивных материалов протекает менее интенсивно в условиях предварительной наносекундной лазерной обработки их поверхностей, при которой создается группа текстур с модификацией характеристик шероховатости и элементного состава поверхностного слоя. Установлено, что поверхность подложек из конструкционных сплавов и металлов с анизотропной текстурой и супергидрофильными/суперолиофильными свойствами характеризуется наиболее высокой устойчивостью к коррозионным процессам по сравнению с полированной не текстурированной лазером поверхностью. 3. Разработанные математические модели позволили проанализировать возможные тенденции шлакования топки на микро- и макроуровнях при сжигании твердого топлива (бурого угля), водоугольного и органоводоугольного топлива (ВУТ и ОВУТ). Результаты моделирования показали, что относительно высокие значения температуры достигаются при сжигании сухой угольной пыли. В этом случае в разных областях топки температура варьируется в наиболее широком диапазоне 300–1800 °С. Сжигание ВУТ и ОВУТ вместо сухой угольной пыли характеризуется снижением температуры в топке котла на 450–600 °С. Результаты расчетов показали, что зоны высоких скоростей шлакования наиболее масштабны в случае сжигания угольной пыли и сосредоточены в нижней и средних частях топки. При сжигании ВУТ и ОВУТ явно выраженные области шлакования характеризуются более низкими значениями скорости этого процесса и локализованы на малых площадях поверхностей нагрева. Применение ВУТ вместо угля позволяет снижать среднюю скорость шлакования поверхностей топки до 12 раз. Результаты моделирования показали, что, помимо повышения пиковых температур в топке на 13–38 %, средняя скорость роста отложений снижается на 5 % для ОВУТ по сравнению с ВУТ. Моделирование динамики формирования зольного отложения и его температурных характеристик на микроуровне показали, что при сжигании угольной пыли негативные процессы протекают с большей скоростью. Установлено, что при сжигании ВУТ и ОВУТ зольный слой критической толщины формируется в 13 раз медленнее, чем при сжигании сухой угольной пыли. Результаты численного моделирования позволили заключить, что замена угля на суспензионное топливо, вероятно, будет способствовать улучшению стабильности и бесперебойности работы котла в контексте влияния шлакования на эти показатели. 4. Разработана база данных с характеристиками как отдельных топливных компонентов, так и топливных составов, а также исследуемых физико-химических процессов. В рамках первого года реализации проекта разработка математических моделей потребовала представления группы результатов (например, толщины слоя шлаковых отложений) в виде аппроксимационных зависимостей основных характеристик исследуемых процессов от группы наиболее значимых факторов, характеризующих интенсивность подвода теплоты от источника (факела топлива, газового потока), летучей золы к поверхности теплообменника для оперативного обмена данными между математическими моделями микро- (в масштабах топки котла) и макроуровней (в масштабах трубы теплообменника и частиц золы) при реализации вычислительного алгоритма. 5. Выполнен анализ и обобщены результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, сформированы теоретические следствия, необходимые для выполнения планируемых в 2023 году работ. Полученные результаты представлены членами научного коллектива в виде 3 устных и 1 постерного докладов на 4 всероссийских и международных конференциях. 6. Опубликовано 2 статьи в рецензируемых периодических изданиях, индексируемых базами данных Web of Science Core Collection и Scopus.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В течение второго года реализации проекта был выполнен полный объем запланированных работ, включающих лабораторные исследования, полевые испытания и математическое моделирование. Выполняемая работа характеризуется новизной, поскольку ранее не изучалось комплексно влияние текстурирования поверхности металла на характеристики его шлакования, процессы теплопереноса и коррозии. Помимо этого, ранее не выполнялись испытания на реальных котельных установках и не были представлены соответствующие результаты. 1. Разработан перспективный способ обработки поверхностей металлов и сплавов путем их модификации лазерным излучением для улучшения функциональных свойств, в частности стойкости к шлаковым отложениям и коррозии при взаимодействии с продуктами сгорания разных топлив и агрессивной средой. Проведены исследования характеристик текстуры (трехмерных параметров шероховатости), свойств поверхности (смачивание) и элементного состава приповерхностного слоя группы образцов типичных поверхностей нагрева (жаропрочная сталь) в виде фрагментов теплообменников топок котлов. Показано, что весовой состав химических элементов на текстурах в виде микроканалов достаточно сильно различается в области нижней поверхности микроканала, на боковом ребре и на нетекстурированной часть вблизи микроканала. При условии осаждения паров металла, образующихся при лазерной обработке, на нетекстурированную часть вблизи микроканала, в таком приповерхностном слое увеличивается содержания Cr и уменьшается содержания Ni и Fe, что приводит к увеличению магнитных сил и прочности при сохранении пластичности, но снижению ударной вязкости и теплопроводности, жаростойкости и упругости. 2. Проведены лабораторные исследования для установления характеристик интенсивности формирования шлаковых отложений и коррозионных дефектов на группе поверхностей нагрева. Образцы стали с нетекстурированной поверхностью после коррозионного воздействия характеризовались достаточно большим поляризационным сопротивлением, что указывает на ухудшение характеристик материала и его более высокую способность к окислению. Образцы стали с текстурой поверхности в виде микроканалов (двух типов) до коррозионного воздействия характеризовались высоким поляризационным сопротивлением (3173 Ом/см2). Коррозионное воздействие в сернокислом растворе вызвало увеличение поляризационного сопротивления образцов с текстурированной поверхностью до 25.52 кОм/см2, что указывает на улучшенную стойкость материала к коррозии. Образцы стали с текстурой поверхности в виде микроканалов характеризовались самой низкой скоростью коррозии – 0.064 мм/год. Анизотропный тип текстурирования усиливал коррозионные процессы – зарегистрированная скорость коррозии составила 17.25 мм/год для стали и 2.093 мм/год для алюминиевого сплава. Модификация поверхности образца из алюминиевого сплава привела к ухудшению устойчивости к коррозии. Выполнены лабораторные экспериментальные исследования процессов шлакования модифицированных стальных поверхностей. На поверхностях, обработанных традиционными шлифовкой и полировкой, зарегистрировано три фронта растекания. На поверхностях, модифицированных лазерным излучением наносекундой длительности с текстурой в виде микроканалов, выделено два фронта растекания; на анизотропной текстуре – один фронт растекания. При взаимодействии стали с зольным составом при высокой температуре (около 1400 °С) образовывался шлак и изменялся весовой элементный состав стали. Помимо окисления установлено значительное увеличение содержания хрома (до 47%) и трансформация текстуры с образованием зерен размером до 2.5 мкм. Лазерная обработка поверхности существенно повысила устойчивость стали к таким изменениям, а также способствовала уменьшению размера зерна до 1.5 мкм. Установлено, что в результате лазерной модификации поверхностей создаются условия смещения температуры шлакообразования в область более высоких значений (на 60–75 °С по сравнению с нетекстурированной поверхностью). В целом, текстуры «анизотропная» и «параллельные микроканалы» обеспечили наилучшие условия для снижения интенсивности шлакования. Анизотропный тип текстурирования способствовал не только уменьшению размеров фронта распространения шлака, но также создавал условия для более эффективной очистки поверхности нагрева от минерального расплава при прочих равных условиях. 3. Проведены полевые испытаний (на котлах и водоочистном сооружении) для установления характеристик интенсивности формирования шлаковых отложений и коррозионных дефектов на группе поверхностей нагрева (модифицированных лазерным излучением). Результаты комплекса исследований (СЭМ, энергодисперсионная спектрометрия) указывают на улучшение устойчивости к шлакованию при использовании текстурированной поверхности («параллельные микроканалы») по сравнению с полированной сталью. Исследования показали, что поверхность полированной стали после полевых испытаний в котле была покрыта плотным слоем оксидов хрома, поверх которого располагался слой искаженных кристаллов феррохромитов цинка, по которому развиваются сплошные объемные дендритные структуры из сплавленных сферических элементов размером 3–5 мкм. Шлаковые дендритные структуры были представлены, в основном, глобулами фосфата кальция с небольшой примесью пластинчатого сульфата кальция (3–5% по сере). Инкрустация шлаковых глобул фосфата кальция представлена в основном металлическим цинком (до 80% масс.). Также на поверхности полированного образца регистрировались отдельные микросферы (до 30 мкм), состоящие в основном из железа (до 45%) с примесью цинка (до 25%), покрытые тонким слоем сульфата кальция. Поверхность текстурированного образца (микроканалы) после проведения полевых испытаний была покрыта регулярными протяженными параллельными валиками шлака. Установлено, что на единицу площади полированной поверхности приходится на порядок больше шлаковых наростов, чем на текстурированной. После полевых испытаний поверхность металла была равномерно покрыта тонким слоем микронных частиц сульфата кальция, сквозь который проступает жаропрочная сталь, характеризующаяся высоким содержанием железа, хрома и никеля. Крупные (до 100 мкм) глобулы на полированной поверхности были представлены, в основном, металлическим железом без следов хрома или никеля, т.е. эти наросты не являлись результатом выхода расплава материала подложки на ее поверхность, а образованы при плавлении минеральной части угольной золы. Данные участки при дальнейшей эксплуатации могут служить инициаторами коррозии и разрушения материала. 4. Выполнено развитие разработанной в течение первого года реализации проекта математической модели для исследования влияния лазерной обработки теплообменных поверхностей на характеристики их шлакования при сжигании разных видов топлив. Показано, что модификация лазерным излучением поверхностей теплообмена может снизить время достижения критического слоя шлака, требующего механической очистки, на 64%. Показано, что лазерная модификация теплообменных поверхностей потенциально повысит эффективность работы теплообменного оборудования за счет увеличения поглощенной теплоты на единицу площади в 1.6–2.2 раза. Экспериментально доказана эффективность модификации стальной поверхности с получением анизотропной (cauliflower texture) и микроканальной текстур для снижения интенсивности шлакования. Выявленные в исследовании тенденции, установленные количественные характеристики и рекомендации будут полезны при модернизации существующих теплоэнергетических и водоочистных установок и при проектировании нового оборудования. Полученные новые знания о лазерной модификации являются научной основой прикладных технологий, направленных на эффективное предотвращение шлакования, улучшение условий эксплуатации оборудования (котлов, резервуаров и т.д.) и увеличение срока его службы.