Лаборатория экологических проблем теплоэнергетики

Старший научный сотрудник с возложением обязанностей заведующего лабораторией, к. т. н., Копьев Евгений Павлович

Тематика лаборатории

• Разработка систем и устройств, повышающих энергоэффективность и экологическую безопасность технологий сжигания органического топлива в энергетических установках.
• Изучение процессов переноса в горелочно-топочных устройствах интенсивного типа, горение жидких углеводородных топлив.
• Исследование воспламенения, газификации и горения твердого топлива и отходов с применением механохимической и плазменной активации, термоподготовка и сжигание углей в условиях внешних воздействий (закрутка, псевдоожижение, СВЧ-излучение и др.).
• Исследование и разработка систем замещения газа и мазута в теплоэнергетических технологиях.
• Исследование и разработка электродуговых генераторов термической плазмы и электротехнологий на их основе.Теоретическое и экспериментальное исследование факельного горения и газификации механоактивированного пылеугольного топлива с микроструктурой.

ПАТЕНТЫ

• Парогазогенератор. Патент РФ № 2795361. Рег. 03.05.2023.
• Горелочное устройство для совместного сжигания жидкого и пылеугольного топлива малой мощности. Патент РФ №2799164. Рег. 04.07.2023.
• Горелочное устройство. Патент РФ № 2798653. Рег. 23.06.2023.
• Горелочное устройство испарительного действия длительного горения. Патент РФ № 2800621. Рег. 25.07.2023.
• Вертикальный водогрейный жидкотопливный котёл. Патент РФ № 2799260. Рег. 04.07.2023.
• Роторная машина. Патент РФ № 2804175. Рег. 26.09.2023.
• Система плавления золошлаковых отходов мусоросжигающего завода. Патент РФ № 2802494. Рег. 29.08.2023.
• Вихревое паромасляное горелочное устройство. Патент РФ № 2743671. Рег. 17.11.2020.
• Жаротрубный вертикальный водогрейный жидкотопливный. Патент РФ № 2754619. Рег. 02.12.2020.
• Горелочное устройство для сжигания нефти. Патент РФ № 2743671. Рег. 11.08.2020.
• Паромасляное горелочное устройство. Патент РФ № 2740722. Рег. 03.06.2020.
• Электрический парогенератор. Патент РФ № 2701970. Рег. 17.01.2019.
• Автономное горелочное устройство длительного действия. Патент РФ № 2705494. Рег. 17.01.2019.
• Пусковое горелочное устройство. Патент РФ № 2705495. Рег. 17.01.2019.

Основные публикации

• Sadkin I.S., Mukhina M.A., Kopyev E.P., Sharypov O.V., Alekseenko S.V. Low-Emission Waste-to-Energy Method of Liquid Fuel Combustion with a Mixture of Superheated Steam and Carbon Dioxide // Energies. – 2023. – Vol. 16. – No. 15. – Art. No. 5745.
• Minakov A.V., Kuznetsov V.A., Dekterev Ar.A, Anufriev I.S., Kopyev E.P.,  Alekseenko S.V. Comparative Analysis of Numerical Methods for Simulating N-Heptane Combustion with Steam Additive // Energies. – 2023. – Vol. 16. – No. 1. – Art. No. 25.
• Sadkin I.S., Shchinnikov P.A. Thermodynamic features of the regenerative system of direct fired sCO₂ power cycles with oxygen combustion of methane // Applied Thermal Engineering. – 2023. – Vol. 234. – Art. No. 121301.
• Копьев Е.П., Садкин И.С., Мухина М.А., Шадрин Е.Ю., Ануфриев И.С. Исследование горения дизельного топлива при его распылении перегретым водяным паром в условиях закрытой камеры сгорания // Физика горения и взрыва. – 2023. – Т.59. – № 4. – С. 102-110.
• Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Purin M.V., Karelin V.A., Nigay N.A., Yankovsky S.A., Isaev S.A. Analysis of the possibility of solid-phase ignition of coal fuel // Energy. – 2023. – Vol. 288. – P. 43.
• Аньшаков А.С., Домаров П.В., Бутаков Е.Б. Плазменно-термическая газификация органических отходов // Физика горения и взрыва – 2022. – Т. 58. – №. 4. – С. 107-111. DOI: https://doi.org/10.1134/S0010508222040128.
• Minakov A.V., Kuznetsov V.A., Anufriev I.S., Kopyev E.P. Numerical analysis of a pre-chamber vortex burner with a steam blast atomizer // Fuel. – 2022. – Vol. 323. – Art. No. 124375. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.124375.
• Anufriev I.S., Kopyev E.P., Alekseenko S.V., Sharypov O.V., Vigriyanov M.S. New ecology safe waste-to-energy technology of liquid fuel combustion with superheated steam // Energy. – 2022. – V. 250. – Art. No. 123849. DOI: 10.1016/j.energy.2022.123849.
• Копьев Е.П., Шадрин Е.Ю., Садкин И.С., Мухина М.А., Шимченко С.Ю. Экспериментальное исследование горения жидких углеводородов в условиях паровой газификации в присутствии газа-разбавителя // Физика горения и взрыва. – 2022. – Т. 58 – №4. – С. 71-78.
• Matveeva A. G., Yu F. P., Sechin A. I., Plyusnin P. E., Kuznetsov A. V., Podgorbunskikh E. M.,  Lomovsky O. I. Co-milling as a synergy factor for co-firing. A case study of wood/coal blends // Carbon Resources Conversion. – 2022. DOI: 10.1016/j.crcon.2022.11.001.
• Чернецкий М.Ю., Бутаков Е.Б. Изучение шлакующих свойств “механоактивированных” углей // Теплоэнергетика. – № 2. – С. 42-47. DOI: 10.1134/S0040601522010013.
• Аньшаков А.С., Домаров П.В. Эрозия термоэмиссионных катодов в плазмотроне // Теплофизика и аэромеханика. – 2021.– Том 28. – № 5. – С. 787-793. DOI 10.1134/S0869864321050164.
• Anufriev I.S. Review of water/steam addition in liquid-fuel combustion systems for NOx reduction: Waste-to-energy trends // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2021. – Vol. 138. – paper 110665.
• Anufriev I.S., Kopyev E.P., Sadkin I.S., Mukhina M.A. NOx reduction by steam injection method during liquid fuel and waste burning // Process Safety and Environmental Protection. – 2021. – Vol. 152. – P. 240-248.
• Anufriev I.S., Kopyev E.P., Sadkin I.S., Mukhina M.A. Diesel and waste oil combustion in a new steam burner with low NOX emission // Fuel. – 2021. – Vol. 290. – С. 120100.
• Alekseenko S.V., Anufriev I.S., Dekterev A.A., Shadrin E.Yu., Kuznetsov V.A., Sharypov O.V., Boyko E.E., Naumov I.V., Kabardin I.K. Investigation of transfer processes in swirling flows in application to vortex furnaces for coal fuel // International Journal of Thermal Sciences. – 2021. – Vol. 161. – Art. No. 106715.
• Abaimov N. A., Butakov E. B., Burdukov A. P., Osipov P. V.,  Ryzhkov A. F. Investigation of air-blown two-stage entrained-flow gasification of micronized coal // Fuel. – 2020. – Vol. 271. – Art. No. 117487. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.117487.
• Anufriev I.S., Alekseenko S. V., Sharypov O. V., Kopyev E.P. Diesel fuel combustion in a direct-flow evaporative burner with superheated steam supply // Fuel. – 2019. – Vol. 254. – С. 115723.
• Anufriev I.S., Kopyev E.P. Diesel fuel combustion by spraying in a superheated steam jet // Fuel Processing Technology. – 2019. – Vol. 192. – С. 154-169.
• Anufriev I.S., Shadrin E.Yu., Kopyev E.P., Alekseenko S.V., Sharypov O.V. Study of liquid hydrocarbons atomization by supersonic air or steam jet // Applied Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 163. – Art. No. 114400.
• И.С.Ануфриев, Д.В.Красинский, Е.Ю.Шадрин, Е.П.Копьев, О.В.Шарыпов. Исследование структуры газового потока, истекающего из форсунки горелочного устройства распылительного типа // Теплофизика и аэромеханика. – 2019. – Т.26. – №5. – С. 703-718.
• Alekseenko S.V., Anufriev I.S., Dekterev A.A., Kuznetsov V.A., Maltsev L.I., Minakov A.V., Chernetskiy M.Y., Shadrin E.Yu., Sharypov O.V. Experimental and numerical investigation of aerodynamics of a pneumatic nozzle for suspension fuel // International Journal of Heat and Fluid Flow. – 2019. – Vol. 77. – P. 288-298.
• Бурдуков А.П., Бутаков Е.Б., Кузнецов А.В., Чернова Г.В., Плюснин П.Е. Экспериментальное исследование воспламенения механоактивированных углей // Физика горения и взрыва. – 2019. – Т. 55. – №5. – С. 55-58. DOI: 10.15372/FGV20190506.
• С. Батмунх, В.В. Саломатов, В.А. Стенников, Х. Энхжаргал. Экологически чистая угольная ТЭС в концепции мульти-комплекса с интеграцией в электроэнергетическую систему Монголии 2019 г. – 253 с. (в пер.). ISBN 978-5-6042857-1-8 (СО РАН); ISBN 978-5-6041446-5-7 (АИ «Гео»). DOI: 10.21782/B978-5-6041446-5-7. – Академическое изд-во «Гео».
• Карелин В. А., Саломатов Вл. В., Саломатов В. Вл. Электромагнитная сушка влажных материалов с малой глубиной проникновения свч-излучения в условиях тепло-сброса радиацией и конвекцией. I. Стадия прогрева // Известия ТПУ. – Том 330. – № 10. – 2019.
• Карелин В. А., Саломатов Вл. В., Саломатов В. Вл. Электромагнитная сушка влажных мате-риалов с малой глубиной проникновения СВЧ-излучения в условиях теплосброса радиацией и конвекцией. II. Стадия по-стоянной скорости сушки // Известия ТПУ. – Т. 330. – № 12. – 2019.

Дополнительная информация

1. В соответствии с концепцией экологически чистой энергоэффективной теплоэнергетики,  в лаборатории проводятся исследования, направленные на разработку и развитие теплофизических основ энергетических технологий, отвечающих требованиям пониженной  или малой эмиссии токсичных продуктов горения при сжигании различных видов органического топлива (в том числе: низкосортных углей, некондиционных жидких углеводородных топлив, синтез-газа). С этой целью активно используются подходы вычислительной аэрогидродинамики (CFD) в рамках тематики «Численное моделирование турбулентных двухфазных реагирующих течений, исследование их аэротермохимической структуры и путей снижения вредных выбросов при сжигании органического топлива в перспективных топочных и горелочных устройствах». Разработаны физико-математические и численные методики моделирования всей совокупности аэротермохимических процессов для различных режимов газофазного и гетерогенного химического реагирования (горение полидисперсного угольного топлива, горение многокомпонентной смеси углеводородного топлива, а также процессы образования вредных выбросов – сажи, оксидов азота) в 2-D и 3-D областях различных энергоустановок. На этой основе проводится численное моделирование аэродинамики, процессов тепломассопереноса и горения в перспективных конструкциях топочных и горелочных устройств (включая вихревую топку парового котла ТЭС и ряд ее модификаций с вторичным тангенциальным дутьем и оригинальное горелочное устройство с аксиальным вдувом струи перегретого водяного пара) при сжигании различных типов углеводородного топлива (пылевидное угольное топливо, природный газ, синтез-газ, продукты нефтепереработки).

Результаты численного исследования аэротермохимических процессов и экологических показателей при сжигании распыленного бурого угля в модифицированной вихревой топке «ВТ2Н»: (а) поле температуры (ºС) в сечении по центру горелок, (б) 3-D визуализация ядра закрученного потока, (в) эмиссия оксидов азота NO₂ (мг/нм³) на выходе из вихревой топки; результаты численного моделирования процессов горения дизельного топлива при подаче струи водяного пара в лабораторном образце горелочного устройства испарительного типа: (г) поле температуры (ºС), (д) концентрации оксида азота NO вдоль оси горелки и факела (ppm).

Ряд полученных результатов защищен патентами РФ, в т.ч. № 2585347 «Вихревая топка» (рег. 05.05.2016). На основе анализа полученной в расчетах детальной предсказательной информации о структуре течения и протекающих процессов горения, а также интегральных теплотехнических и экологических характеристик, ведется поиск возможных путей улучшения показателей и режимов работы исследуемых теплоэнергетических установок.  Экспериментальное исследование детальной структуры турбулентных течений, полей скорости, параметров смешения и др. характеристик на «холодных» моделях топочных устройств вихревого и циркуляционного типов проводится с использованием современных методов 2-D и 3-D диагностики (лазер-доплеровской, PIV, тепловизионной и др.).

2. Проводится экспериментальное исследование горения жидких углеводородов в режиме паровой газификации и разрабатываются горелочные устройства на этой основе. А именно, предложен новый способ сжигания углеводородосодержащих некондиционных топлив, отличительным признаком которого является раздельная подача в камеру горения двух потоков: топливо+воздух; перегретый водяной пар. Первичный факел создается при горении топлива в условиях недостатка окислителя. В итоге на начальной стадии в камере горения образуется аэрозольный сажистый факел. Далее за счет импульса перегретого водяного пара формируется вторичный факел, где происходит паровая газификация промежуточных продуктов с образованием водорода и монооксида углерода. В результате обеспечиваются условия для эффективного зажигания и устойчивого горения «тяжелых» топлив. Данный физико-химический механизм применен при создании горелок-демонстраторов мощностью 5-20 кВт, проведено их испытание на дизельном топливе, картерных отходах, сырой нефти, водоугольном топливе и др. Разработанные горелочные устройства-демонстраторы по экологическим показателям на порядок превосходят известные аналоги.

Демонстрационное видео автономного горелочного устройства.
Демонстрационное видео горелочного устройства с распылом топлива паровой струёй.

3. Ведется разработка нелинейной модели переноса тепла в слое диэлектрика при плавлении за счет СВЧ-излучения с учетом зависимости диэлектрической проницаемости от параметров процесса. При этом будет использован успешный опыт разработки моделей для СВЧ-обработки угля, в рамках которой были построены: модель СВЧ-нагрева угля, учитывающая изменяющиеся теплофизические и электрофизические свойства, а также позволяющая определить момент начала сушки и ряд других важных параметров; модель СВЧ-сушки угля, позволяющая определить скорость сушки. Будут получены асимптотические решения для различных режимов плавления диэлектрика конечной толщины под воздействием СВЧ-излучения. Будет обоснован метод повышения энергоэффективности процесса СВЧ-обработки снежно-ледяной массы.

4. Проводятся исследования механизма горения и газификации водоугольных суспензий. Разработана экспресс-методика исследования температурно-концентрационной динамики горения топлива на основе синхронного измерения термометрической и цветовой температуры с анализом отходящих газов горения (газификации). Комплексные измерения впервые позволили детально изучить в зависимости от сорта и состава топлива стадии горения (прогрев, испарение, горение летучих, коксового остатка), полные времена горения, массовую скорость горения.

5. Ведется разработка новых конструкций вихревых скрубберов и завихрителей к ним, способные работать без каплеуноса, а также исследование процессов каплеулавливания и пылегазоочистки в центробежно-барботажных аппаратах ЦБА и вихревых аппаратах сухого улавливания (циклонах). Экспериментально определены оптимальные режимные и конструктивные параметры аппаратов для работы без каплеуноса. По результатам испытаний разработана конструкторская документация на два типа вихревых скрубберов для опытной установки на Новосибирской ТЭЦ-4. Разработан элемент батарейного циклона для Новосибирской ТЭЦ-4 на расход по дымовым газам 5000-6000 м³/ч.

Список сотрудников