Новая технология горения: японский ученый, ДВФУ и прорыв в энергетике

Профессор Университета Тохоку в течение трех лет на острове Русском во Владивостоке будет исследовать новые технологии горения с возвратом тепла и массы, которые позволяют экономить сжигаемое топливо, уменьшать размеры камер горения, а значит – экономить на готовой продукции и отоплении, а также существенно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Встреча экспериментатора и теоретика

Профессора К.Марута и С.Минаев рассказали о том, что их совместная работа началась совершенно случайно.

«Пятнадцать лет назад, в 1999 году, я работал в Новосибирске, мы с Сергеем Минаевым случайно встретились, потому что сидели в соседних кабинетах, обсудили свои научные интересы и обнаружили, что они у нас общие. Я экспериментатор, а мой коллега – теоретик. Так мы и начали работать вместе», - вспоминает К.Марута. По словам С.Минаева, японский ученый тогда организовал специальный семинар, посвященный проблеме шариков пламени, который его заинтересовал.

Профессор К.Марута работал на таком уникальном оборудовании, исследуя пределы горения. Там и были впервые получены шарики пламени. Ученым нужно было изучить, насколько можно разбавлять топливо воздухом, чтобы оно при этом продолжало гореть. Это было важно и с точки зрения экономии, и с точки зрения экологических характеристик процесса горения. Все эти эксперименты стали фундаментом нынешних исследований японского ученого и его российских коллег.

Новые идеи мягкого горения

С.Минаев предложил К.Маруте участвовать в конкурсе на получение научного гранта Правительства РФ, и японский ученый в конце 2013 года стал победителем открытого конкурса Министерства образования и науки РФ, который проводился уже в четвертый раз.

Гранты Правительства Российской Федерации выделяются в размере до 90 млн рублей каждый на проведение научных исследований в течение трех лет - с 2014 по 2016 гг. - с возможным продлением проведения научных исследований на два года. Выделение грантов осуществляется в форме субсидий, предоставляемых высшим учебным заведениям или научным организациям, на базе которых осуществляются исследования.

«Сейчас идет очень важный этап нашей работы – мы изучаем горение с возвратом тепла. Обычно выхлопные газы выкидываются с любого устройства вместе с теплом, но мы используем их температуру, чтобы нагреть входящий воздух или топливо перед тем, как оно сгорит. Это дает экономию в топливе, поскольку мы сохраняем тепло газов, а также позволяет получить новый режим горения – мягкий. Идея такого горения была придумана в середине 1990-х гг. И шарики пламени непосредственно задействованы в этом процессе», - говорит К.Марута.

Он отмечает, что ученым нужно было чисто теоретически изучить пределы горения, и то же время рождались идеи о мягком горении.

Если использовать мягкое горение, а значит низкую температуру, то можно обходиться малым количеством пространства. Этот режим позволяет равномерно распределить тепло по объему камеры и уменьшить ее размеры.

Профессор Марута рассказывает, что в этом случае эффективность горелок возрастает, поэтому можно сохранить до 30% топлива, получая тот же самый поток тепла. С.Минаев же отмечает экологические характеристики новой технологии.

«Как мы получаем тепло в домах? Мы зажигаем газ в большой, размером с комнату, горелке. Этот горячий газ нагревает трубы с водой в теплообменнике. При этом идут выбросы окислов азота, загрязняется атмосфера. В технологии мягкого горения количество выбросов резко уменьшается. При этом новая горелка была абсолютно бесшумна. Процесс происходит в тишине, как чудо, учитывая, что обычная горелка очень шумная. Размеры камеры можно было уменьшать, и вся камера просто светилась», - рассказывает С.Минаев.

Кислородный прорыв в горении

К.Марута, объясняя уникальность и новизну технологи, разъясняет, что мягкое горение бывает двух типов. «В одном случае мы используем воздух. Этот проект уже внедрен в производство, и много японских компаний используют данную технологию. Сейчас там строится около десяти заводов, которые будут работать по этому принципу, и многие европейские страны уже заявили о своей заинтересованности в данной технологии», - говорит ученый.

Второй тип мягкого горения – с использованием чистого кислорода вместо воздуха. Воздух содержит азот, а когда он окисляется, то дает вредный газ NO2, который отвечает за смог, да и вообще загрязняет атмосферу.

Поэтому японский ученый работает над абсолютно новой технологией, когда нагревается чистый кислород и происходит беспламенное горение. В этом случае размеры камеры горелки можно сделать еще меньше, процесс выходит более эффективным, а степень загрязнения окружающей среды сводится к нулю, так как азот удален. На выходе – абсолютно чистая технология.

«Для сравнения: солнечные батареи или ветровые установки - так называемые источники чистой энергии - это не совсем чистые с экологической точки зрения установки. Чтобы создать солнечную батарею, необходимо потребить энергию, то есть сжечь топливо. Чтобы сделать ветровую станцию, надо выплавить алюминий или использовать пластик. Если в этом смысле сравнить, то новая технология горения является по-настоящему чистой даже в отличие от этих экологически-приемлемых технологий», - говорит С.Минаев.

К.Марута рассказывает, что за счет того, что горелка меньше размером, теплообменников надо делать меньше, следовательно, вложения в строительства уменьшаются. Плюс новая технология не потребует глобального переобучения персонала, что также сэкономит средства.

Космические перспективы и встреча с Путиным

По предварительным оценкам японского ученого, в течение двух – трех лет можно будет приступить к практической реализации проекта на производствах. При этом, если компании найдут применение подобным установкам, ученые готовы начать работать с ними практически немедленно.

«Мы уже ведем переговоры, показываем технологию компаниям. К сожалению, среди этих предприятий пока нет российских, но ведь и работа здесь только началась», - с оптимизмом смотрит в будущее ученый.

Новой технологией можно не только заменить старые способы горения, но и использовать ее везде, где используются электрические нагреватели.

«Способом кислородного горения можно контролировать температуру поверхности до 1 градуса, как в электрическом нагревателе. Но с новой технологией мы можем сэкономить в два раза, и это позволило бы в два раза уменьшить стоимость изделий. Это уже сделано одной японской компанией, новый метод с использованием маленького нагревательного элемента применяется в пищевой промышленности, и с помощью него предприятие на 80% уменьшило потребление энергии. Соответственно, стоимость продукции упала почти в 10 раз», - подчеркивает японский профессор.

Он надеется, что данная технология станет популярной и здесь, в России. О ней профессор рассказал президенту РФ Владимиру Путину во время его визита в кампус ДВФУ на прошлой неделе.