Исследование процессов воспламенения водоугольного топлива в потоке с повышенной концентрацией кислорода для разработки новых экологически чистых технологий получения энергии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-01267

НазваниеИсследование процессов воспламенения водоугольного топлива в потоке с повышенной концентрацией кислорода для разработки новых экологически чистых технологий получения энергии

Руководитель Кузнецов Виктор Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" , Красноярский край

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе

Ключевые слова Водоугольное топливо, уголь, воспламенение, экспериментальные исследования, период индукции, кинетические константы, CFD

Код ГРНТИ44.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В результате научных исследований было подтверждено, что технология капельно-факельного сжигания суспензионного топлива (водоугольного топлива) является одной из самых экологически чистых, экономически выгодных и перспективных. Однако, не смотря на определенные успехи, данную технологию на данный момент нельзя назвать завершенной. Одной из основных проблем при использовании водоугольного топлива является его трудно воспламеняемость. Это является сдерживающим фактором и влечет за собой применения особых конструкторских и технологических решений. Одним из таких решений может стать технология кислородного сжигания или сжигание в среде с повышенной концентрацией кислорода. Известно, что повышение объемной концентрации кислорода в дутье способствует снижению индукционного периода воспламенения углеводородных топлив (газовых, жидких и твердых), а также отмечается более интенсивное выгорание и снижение NOx. Стоит также отметить, что технология кислородного сжигания ложится в концепцию снижения углеродного следа в энергетике. Кислородное сжигание (без азота из воздуха) позволяет перерабатывать углеводородное топливо в электрическую энергию и получать на выходе дымовые газы, состоящие из углекислого газа и пара. После конденсации влаги углекислый газ может быть подвергнут улавливанию и захоронению. Несмотря на широкий интерес научного сообщества к водоугольному топливу, до настоящего времени не установлена однозначная связь между процессами воспламенения водоугольных капель и концентрацией кислорода в дутье. Ранее проведенные работы были акцентированы на исследованиях процессов, протекающих в воздушной среде. Впервые будут выполнены экспериментальные исследования воспламенения потока водоугольных капель в среде с повышенной концентрации кислорода, определен период индукции и кинетические константы скорости зажигания. Изучена зависимость физико-химических процессов воспламенения потока капель ВУТ от концентрации кислорода, параметров топлива и среды. Разработана численная методики математического описание процессов воспламенения ВУТ в условиях с повышенной концентрации кислорода, основанной и протестированной на данных полученных в эксперименте. Решение этих задач даст новые представления в развитии технологии капельно-факельного сжигания ВУТ, которая помимо получения энергии, позволит решить важнейшие проблемы эффективной утилизации отходов углеобогатительных фабрик в регионе. Полученные результаты имеют фундаментальный характер и могут быть приняты за основу в научно-исследовательских и конструкторских работах при проектировании новых котельных агрегатов для сжигания ВУТ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ КИСЛОРОДНОМ СЖИГАНИИ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ТОПОЧНОЙ КАМЕРЕ РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ КИСЛОРОДНОМ СЖИГАНИИ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ТОПОЧНОЙ КАМЕРЕ Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2024, МАТЕРИАЛЫ XVII Минского международного форума по тепло- и массообмену (20–24 мая 2024 г.) Стр. 977-978 (год публикации - 2024)

2. Численное исследование процессов кислородно сжигания водоугольной суспензии в топочной камере Numerical study on processes of oxy-fuel combustion of coal-water slurry in the furnace chamber Fuel (Elsevier), Volume 371, Part B, 1 September 2024, 132034 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.132034

3. Экспериментальное исследование зависимости периода индукции воспламенения водоугольного топлива от концентрации кислорода в потоке Experimental study of the dependence of the ignition induction period of coal-water fuel on the oxygen concentration in the flow ООО "Редакция журнала "Уголь", Кузнецов В.А. Экспериментальное исследование зависимости периода индукции воспламенения водоугольного топлива от концентрации кислорода в потоке // Уголь. 2025;(2):29-33. DOI: 10.18796/0041-5790-2025-2-29-33. (год публикации - 2025)
DOI: 10.18796/0041-5790-2025-2-29-33

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ КИСЛОРОДНО-КАПЕЛЬНО-ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ВУТ В КОТЛЕ МАЛОЙ МОЩНОСТИ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ КИСЛОРОДНО-КАПЕЛЬНО-ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ВУТ В КОТЛЕ МАЛОЙ МОЩНОСТИ Сборник тезисов Всероссийской конференции: Енисейская Теплофизика — 2025. 14 апреля 2025 г. – 19 апреля 2025 г. Красноярск., РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ КИСЛОРОДНО-КАПЕЛЬНО-ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ВУТ В КОТЛЕ МАЛОЙ МОЩНОСТИ. Всероссийская конференция: Енисейская Теплофизика — 2025. 14 апреля 2025 г. – 19 апреля 2025 г. Красноярск. (год публикации - 2025)

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРИОДА ИНДУКЦИИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ВУТ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В ПОТОКЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРИОДА ИНДУКЦИИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ВУТ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В ПОТОКЕ Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН [и др.]. — Новосибирск : ИТ СО РАН, 2024. — 139 с. : ил. — Библиогр. в конце докл. — Авт. указ.: с. 136-139. — Тираж не указ., ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРИОДА ИНДУКЦИИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ВУТ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В ПОТОКЕ. Горение топлива: теория, эксперимент, приложения : XII Всероссийская конференция с международным участием, 11-14 ноября 2024 года, Новосибирск: тезисы докладов (год публикации - 2024)

6. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ВУТ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В ДУТЬЕ ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ВУТ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В ДУТЬЕ НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 603155, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24., Божеева Д.М., Кузнецов В.А, Дектерев А.А. Численное исследование зависимости физико-химических процессов сжигания ВУТ от концентрации кислорода в дутье // Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции «XIII Семинар вузов по теплофизике и энергетике», г. Нижний Новгород, 12-14 октября 2023 г. (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработана численная методика математического описания физико-химических процессов распыла, воспламенения и горения водоугольного топлива в потоке с повышенной концентрацией кислорода. Проведена верификация предложенной комплексной математической модели на основе экспериментальных данных полученных в проекте и из литературы. Проведены систематические численные исследования зависимости процессов воспламенения и горения ВУТ (в трубчатом реакторе) в потоке от параметров среды, в том числе концентрации кислорода. Проведены систематические численные исследования зависимости процессов воспламенения и горения ВУТ (в трубчатом реакторе) от свойств топлива. Проведено математическое моделирование физико-химических процессов кислородного горения водоугольного топлива в топочной камере малой мощности. Проведено численное исследование зависимости физико-химических процессов воспламенения и горения ВУТ от концентрации кислорода в дутье и влаги в топливе для условий топочной камеры. Проведено обобщение и сделан анализ результатов экспериментальных и расчетных исследований, определены основные закономерности физико-химических процессов воспламенения водоугольного топлива в потоке при разной концентрации кислорода. На основе полученных расчетных данных были установлены основные закономерности зависимости процесса воспламенения ВУТ от концентрации кислорода в дутье и других параметров среды, а также свойств топлива. Показано, что повышение концентрации кислорода в дутье способствует снижению периода индукции воспламенения ВУТ. Для рассмотренных режимов показано, что увеличение концентрации кислорода на 1 об.% приводит к уменьшению периода индукции зажигания ВУТ на 4-6%. Для рассмотренных режимов воспламенения и свойств топлива, показано что уменьшение доли воды в топливе на 1% в среднем снижает период индукции зажигания ВУТ на 2-4 %. Также показано, что замена на уголь (в составе ВУТ) с более высоким содержанием летучих компонент способствует снижению периода индукции.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых энергетических станций или при внедрении технологии кислородного сжигания (повышения концентрации кислорода в дутье) суспензионных топлив с высоким содержанием влаги на уже существующих объектах. Энергетическая отрасль, в связи со своей высокой значимостью в жизнедеятельности человека, тесно связана с экономикой и социальной сферой.