Сибирские ученые нашли способ снизить вредные выбросы при сжигании жидких топлив и отходов
Исследователи из Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН разработали и экспериментально проверили метод сжигания жидкого топлива, который решает сразу две проблемы. Он дает возможность сократить выбросы оксидов азота почти на 50 % при сохранении высокой полноты сжигания топлива, в том числе жидких углеводородных отходов, таких как нефтешлам и отработанные масла, вместо их складирования. Результаты исследования опубликованы в журнале «Теплоэнергетика», выпуск № 1 за 2026 год.
Весомую долю антропогенных выбросов в атмосферу составляют оксиды азота (NOx). Они довольно опасны для окружающей среды. Так, NOx нарушают кислотность почв и являются главной причиной фотохимического смога, токсичного для флоры и фауны. В связи с этим по всему миру остро стоит необходимость снижать уровень подобных выбросов.
Не меньший вред природе приносят и жидкие углеводородные отходы. В числе таких — нефтешламы и отработанные масла. Они примечательны тем, что содержат в себе механические примеси, такие как песок и грунт, а также продукты износа исходного топлива. Значительную их часть до сих пор складируют, что достаточно опасно. Один литр отработанного масла может загрязнить до тысячи тонн грунтовых вод, а нефтешламы, попадая в почву и водоемы, отравляют их. Любое нарушение целостности резервуара хранения может обернуться катастрофой. Между тем по своей природе эти отходы остаются горючими: это углеводороды, которые могли бы служить топливом и давать тепловую энергию.
Почему бы тогда не сжигать их? Дело в том, что обычные горелки настраиваются на определенный состав топлива, а у отходов он меняется от партии к партии. Из-за этого процесс сжигания становится нестабильным, растут выбросы вредных веществ, возникает риск коксования — превращения отходов в твердый материал (кокс), который засоряет каналы подачи топлива. Получается, что современная промышленность стоит перед выбором: либо хранить отходы, впустую тратя ресурсы, да еще и с риском разгерметизации резервуара и всеми вытекающими последствиями для экологии, либо сжигать их по-прежнему вредным для природы способом. Решение сразу обеих проблем предложили ученые из Института теплофизики.
Базой для технологии стала определенная конфигурация горелки, при которой топливо распыляется не механической форсункой, а струей перегретого водяного пара в небольшую камеру газогенерации. Пар, нагретый до 250 °C при давлении 0,7 МПа, дробит топливо на мельчайшие капли и тем самым ускоряет его испарение. Конструкция исключает прямой контакт топлива с нагретыми поверхностями, а значит, предотвращает коксование.
К этой горелке ученые добавили систему рециркуляции дымовых газов. Это хорошо известный прием в энергетике, при котором часть отработанных газов возвращается в зону горения для снижения температуры пламени, попутно подавляя образование вредных веществ. Однако в отличие от традиционных систем, где требуется возвращать 20—30 % дымовых газов, новый метод достигает сопоставимого эффекта при доле разбавления всего 5—10 %.
Исследование проводилось на лабораторной горелке, в которую подавались газы различного состава и температуры. Ученые сравнили режимы с холодными (комнатной температуры) и нагретыми до 250 °C разбавителями, а также вариант с принудительным вдуванием в установку кислорода.
Холодные разбавители снижали температуру пламени на 150—200 °C и значительно эффективнее подавляли образование оксидов азота, чем горячие. Заведующий лабораторией экологических проблем теплоэнергетики Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН кандидат технических наук Евгений Павлович Копьев, один из авторов работы, объяснил это так: чем холоднее поступающий газ, тем интенсивнее он охлаждает зону горения и тем сильнее замедляются реакции, ведущие к образованию вредных выбросов. Нагретые же разбавители практически не влияли на температурный профиль пламени, поскольку их разбавляющий эффект нивелировался подводимым теплом. Обогащение кислородом давало обратный результат: температура пламени росла, и вместе с ней увеличивались выбросы оксидов азота. Впрочем, как отмечается в исследовании, этот режим может быть полезен при работе с трудновоспламеняемыми видами топлива, поскольку растет интенсивность горения. Однако если слишком сильно снизить температуру пламени, начнется недожог топлива, и вместо оксидов азота вырастут выбросы угарного газа. Поэтому необходимо точечно корректировать нагрев реакции.
В первую очередь технология ориентирована на нефтеперерабатывающие предприятия. Также она может быть использована при ликвидации нефтяных разливов, так как собранная на них нефть смешивается с песком, грунтом и водой. Не меньшую пользу технология способна предоставить в области металлургии, а также энергетической промышленности, где необходимо максимально эффективно сжигать топливо с минимальным вредом для экологии.
По словам Евгения Копьева, исследователи уже создали горелку промышленного масштаба и установили ее на котел, мощности которого достаточно для отопления нескольких зданий. На этой установке планируется проверить, сохраняются ли все преимущества метода при переходе на условия, приближенные к реальным.
Некоторые вопросы всё еще остаются нерешенными. Предстоит выяснить, как технология поведет себя на крупных промышленных объектах и насколько она будет стабильной при постоянной смене состава сжигаемых отходов. Несмотря на то, что до полномасштабного внедрения предстоит пройти долгий путь, Евгений Копьев подчеркивает, что внешний запрос от промышленности может значительно ускорить этот процесс.
Источник: Пресс –служба СО РАН («Наука в Сибири»)