Новая электроогневая технология

Новая электроогневая технология экологически чистого горения

В статье обоснованы важность и перспективы совершенствования  огневых технологий, в частности, путем применения новой электроогневой технологии чистого сжигания любых веществ и газов с использованием электрических полей в качестве катализатора горения. Рассмотрено применение технологии в теплоэнергетике, тепловых двигателях транспорта, установках огневой утилизации отходов и др. [1,2]. Показано, что новая технология позволяет не только интенсифицировать процессы горения, но и повысить их управляемость (температуры, градиента теплопроводности, давление газов и прочее). Делается вывод о ее перспективности при решении острейших энергетических и экологических проблем цивилизации.Надеемся, что данная статья вызовет интерес широкого круга читателей: специалистов в области огневых и тепловых технологий, физиков, экологов, и просто читателей, интересующихся новыми научными идеями. 

ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРОБЛЕМЫ — ЭТО ПРОБЛЕМЫ НЕЭФФЕКТИВНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

Острота экологических проблем  в мире нарастает, грозя перерасти  в глобальную экологическую катастрофу. Главной причиной загрязнения атмосферы  в больших городах является в  первую очередь несовершенство огневых  технологий (теплоэнергетики, тепловых машин, двигателей транспорта, сжигание отходов …). Уже доказано, что  их вклад в загрязнение атмосферы  планеты приближается к 70-80%… Под огневыми технологиями понимают любые технологии сжигания топлива, веществ, газов. Огневые технологии наиболее распространены в мире, без них немыслима современная цивилизация. Теплоэнергетика и транспорт, металлургия и пищевая промышленность, нефтегазоперерабатывающая и химическая промышленность, огневое обезвреживание отходов — вот далеко не полный перечень использования огневых технологий. До тех пор, пока человечество не усовершенствует огневые технологии, глобальные экологические проблемы решить невозможно. В статье описана и раскрыта сущность новой технологии экологически чистого и эффективного бых видов топлива и отходов.

Почему экологам трудно защитить природу

Современная методология  и технология решения экологических  проблем состоит в анализе  степени и источников загрязнения  окружающей среды (экологический мониторинг), а также в очистке атмосферы, воды и почвы от токсичных компонент  в случае превышения в них предельно  допустимых концентраций токсичных  веществ.

К сожалению, в настоящее  время методы измерения огромного  спектра токсичных веществ, выделяемых в атмосферу при горении веществ, а тем более методы их утилизации, объективно сложны, дороги и несовершенны. Даже использование идеальной техники  для измерения загрязнения атмосферы  продуктами горения является неэффективным, поскольку это уже борьба со следствиями  несовершенства огневых и других технологий, а не с причинами загрязнения  атмосферы.

Экологическая и энергетическая эффективность  известных огневых технологий

Известно, что на данный момент реальная эффективность преобразования химической энергии топлива в  процессе горения остается низкой (например, в тепловых двигателях она составляет не более 25%, а эффективность преобразования тепловой энергии в электроэнергию на теплоэлектростанциях не превышает 40%). Если же учесть затраты энергии  на добычу, переработку и доставку топлива потребителям, то суммарный  КПД существующих огневых технологий (тепловых машин и установок) составит не более 10-15%! Это означает, что более половины химической энергии топлива переходит в тепло и в разнообразные токсичные вещества и отходящие газы, которые отравляют атмосферу планеты и создают кислотные осадки, глобальный «парниковый» эффект, грозящий потеплением климата, вселенский потопом и окончательным отравлением живой природы. Таким образом, вклад несовершенной энергетики в загрязнение природы составляет 70-80%! Как очистить атмосферу планеты, особенно мегаполисов мира, когда из выхлопных труб транспорта и дымовых труб производственных предприятий вылетают вещества и газы с химическим составом, превышающим половину таблицы Менделеева, и в количествах, которые уже сопоставимы с объемами оставшегося чистого воздуха планеты?

До тех пор, пока человечество не научится эффективно и экологически чисто сжигать вещества и газы, атмосфера планеты будет грязной  и в недалеком будущем непригодной  для жизни. Таким образом, пока мы не разберемся по- настоящему с процессами горения и преобразования в пламени  химической энергии веществ в  тепловую энергию и далее в  другие полезные виды энергии (электрическую, механическую, световую), нам не решить экологические проблемы.

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И  ПРОБЛЕМЫ КЛАССИЧЕСКОГО ГОРЕНИЯ  ВЕЩЕСТВ

Горение — это одно из самых сложных известных человеку явлений. С научной точки зрения, горение — это цепная реакция  последовательного дробления частиц топлива на все более мелкие заряженные радикалы, это и физико- химические процессы преобразования химической энергии межмолекулярных связей, это и физические процессы преобразования энергии на молекулярном и атомном уровнях в тепло и свет, а также многие другие процессы, протекающие одновременно.

Со школьной скамьи известно, что горение — это процесс  взаимодействия топлива с окислителем, сопровождающийся выделением тепловой и световой энергии. В высшей школе  добавляют к этому определению  следующее: «а также скрытой энергии  химических связей отходящих газов». Процессы горения изучают и совершенствуют ученые и специалисты самых различных  профилей (химики, физики, теплоэнергетики, теплофизики и т.д.). Известны фундаментальные  исследования цепных реакций горения, проведенные русскими учеными Н.Н. Семеновым, Я.Б. Зельдовичем и их последователями.

В настоящее время интенсивность  горения топлива повышают преимущественно  посредством воздушного дутья в  зону горения, т.е. заведомо увеличивают  объем отходящих токсичных газов  в атмосферу. Зададим несколько  наивных на первый взгляд вопросов. Зачем вообще нужен для горения  веществ окислитель (воздух или кислород)? Можно ли вообще обойтись без традиционного  окислителя ? Как начинается и происходит процесс горения? Неясных вопросов в физике горения очень много. Как, например, регулировать температуру и интенсивность горения? Можно ли управлять теплопроводностью пламени? Как упорядочить тепловое движение частиц в пламени и в нагретых отходящих газах, и к чему это приведет? Есть и еще одна проблема горения — это сами углеводородные топлива, используемые в современных тепловых процессах. Еще великий русский ученый Д.И. Менделеев афористически утверждал, что использовать нефть — все равно, что топить печь денежными ассигнациями.

Поскольку углеводородные топлива  являются сложными химическими веществами, а процессы горения пока несовершенны, то в процессе их горения образуется целый «букет» других попутных веществ  и токсичных газов, которые бесцельно  уносят неиспользованную внутреннюю энергию  топлива в атмосферу и отравляют  нашу планету.

Известно, что идеальное  топливо — это водород, так  как горение водорода в кислороде  является практически идеально чистым. Однако в настоящее время технология получения водорода и кислорода остается дорогостоящей, а процесс горения водорода — взрывоопасным. Поэтому водородные тепловые машины и технологии не нашли массового применения, а в качестве топлива по-прежнему повсеместно применяют органические вещества и газы.

Физическая сущность новой электроогневой технологии

Каким же образом можно  сжечь углеводородное топливо экологически чисто, и как реализовать на практике такую экологически чистую огневую  технологию? Краткий ответ таков: необходимо создать такие условия  горения органического топлива, ввести такой катализатор горения, при которых энергия химических межмолекулярных и внутримолекулярных связей органического топлива практически  полностью высвобождается и превращается в энергию электромагнитного  излучения, например, в световую и  тепловую энергию без образования  промежуточных экологически вредных  веществ и газов. После этого  рабочее тело (например, воду) эффективно нагревают данным направленным и  сконцентрированным электромагнитным излучением с использованием эффектов отражения и концентрации электромагнитных волн, либо превращают электромагнитное излучение непосредственно в  электроэнергию. В этом случае возникает  новая возможность регулировать температуру пламени и предельно  снизить объем окислителя, т.е. создать  горение органики при минимальном  объеме отходящих газов.

Возможно ли в принципе такое «чистое» горение органических веществ и газов c использованием электрического поля в качестве «катализатора»? Да, возможно, но при правильно выбранных  параметрах этого поля, точнее, если правильно «приручить» гигантские Кулоновские силы электрического поля, путем взаимодействия электрически заряженных частиц топлива, окислителя с силовыми линиями электрического поля.

Один из вариантов экспериментальной  установки показан на Рис.1

Блок-схема экспериментальной  установки для исследования новой  электроогневой технологии показана на Рис.1а. Установка содержит корпус (1) с электроизолированными от корпуса плоскими электродами (2), (они могут быть размещены как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости). Электроды (2) размещены на противоположных внутренних стенах камеры горения (3). Устройство снабжено смесителем (4) с устройством подачи (5) топливной смеси в зону горения. Одновременно устройство (5) выполняет функции электрического воспламенения смеси. Описываемое устройство снабжено воздушным трактом (6), содержащим активизатор окислителя (7), который присоединен по цепи управления к регулятору (8) (управление степени активизации окислителя), а воздуховодом (9) к смесителю (4). На конце воздуховода возможно размещение вихревого устройства (на рисунке не показано). Устройство снабжено также топливным трактом (10), содержащим активизатор топлива (11) и регулятор (12) активизатора и расхода топлива, причем, блок (11) присоединен топливопроводом к смесителю (4). Устройство снабжено электрическим активизатором горения (14), который содержит высоковольтный преобразователь (15) напряжения и частоты, присоединенный по цепи управления к своему регулятору (16). Электрический выход блока (15) присоединен к одному из электродов (2), а второй выход надежно электрически заземлен контуром заземления (17). Высоковольтный провод с выхода блока (15) присоединен к электроду (2) через проходной электроизолятор (не показан на Рис.1а). Устройство снабжено датчиком токсичности газов (18), присоединенным на вход оптимизатора режима (19), который является системой управления для взаимосвязанного регулирования всех параметров горения. Для этого выход оптимизатора режима (19) присоединен на входы управления регуляторов (8), (12), (16).

Устройство работает следующим  образом. Вначале подают активизированные окислитель О1 через воздушный тракт (6), активизатор (7) и воздуховод (9) в смеситель (4), затем подают в тот же смеситель (4) активизированное топливо Т1 через топливный тракт (10) и активизатор (11). В смесителе (4) готовят топливную смесь, которую распыляют и одновременно воспламеняют искрой от блока (5). В камере горения (3) пламя и отходящие газы обрабатывают сильным переменным электрическим полем, образованным от блока (14) в зазоре между электродами (2). В процессе горения пламени измеряют токсичность отходящих газов специальным датчиком токсичности (18). В зависимости от текущей токсичности взаимосвязано регулируют посредством оптимизатора режима (19) параметры горения пламени. Конкретно, через регулятор (6) изменяют расход окислителя и степень его активизации, через регулятор (12) изменяют расход топлива и степень его активизации, а через регулятор (16) изменяют напряженность и частоту переменного электрического поля от блока (14) в камере горения (2). Отметим, что электрическое поле в камере горения (3), конкретнее, в зазоре между электродами (2), каталитически воздействует не только на факел пламени, но и на отходящие газы. Сущность этого процесса состоит в том, что ускоряются процессы дробления и окисления радикалов топлива и молекул токсичных окислов, причем, чем выше напряженность этого поля и его частота, тем выше интенсивность горения и очистки токсичных газов. В результате взаимосвязанного регулирования всех перечисленных выше параметров достигается более полное и интенсивное «чистое» сжигание любого топлива.

На Рис. 1б показано фото действующей экспериментальной  установки по изучению процессов  воздействия электрического поля на процесс горения веществ и  очистки отходящих газов. На фото показаны:

1.     Слева — печь с высоковольтным электродом в верхней части корпуса печи;

2.      В центре — вертикальная колонна электроогневой очистки (дожига) токсичных газов в электрическом поле, причем, сверху колонны виден высоковольтный электрод, а слева и справа колонны — соединенные с ней газопроводы подвода-отвода токсичных газов;

3.      Регулируемая воздуходувка изображена на фото справа сверху. Она предназначена для отвода очищенных токсичных газов и соединена газопроводом с колонной;

4.      Внизу на фото показан регулируемый высоковольтный источник напряжения (источник электрического поля), соединенный высоковольтными проводами с печкой и с колонной очистки токсичных газов.

Экспериментально установлено, что сочетание двух ступеней активизации  горения (в печи и колонне) обеспечивает идеальную очистку токсичных  газов при горении любых токсичных  веществ.

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Проведенные опыты и исследования многогранного влияния электрического и высокочастотного электромагнитных полей на процесс горения подтвердили  реализуемость таких практически  идеальных условий горения топлива  и веществ [1].

В качестве катализаторов  горения были использованы маломощные постоянные и переменные (знакопостоянные и знакопеременные) электрические поля с напряженностью от 1 кВ/см и выше, а также электромагнитные высокочастотные поля малой мощности с частотой тепловых колебаний молекул в факеле (мощностью порядка 0,1-1% тепловой мощности пламени сжигаемого органического топлива).

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЕЙ  В НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Из термодинамики и  теории горения известно, что в  обычном процессе горения оптимальное  соотношение массы окислителя, например, воздуха и топлива составляет примерно 16:1. В наших опытах с  электрополевым катализатором экологически чистое горение углеводородного топлива (мазута, солярки) достигалось и при дефиците окислителя (например, при соотношении массы окислителя и топлива 1:1). Для практиков это означает, что имеется реальная возможность снижения объема отходящих газов любых тепловых машин в 10-15 раз при сохранении их прежней мощности. При этом, как показывают опыты, из состава отходящих газов вообще устранялись сажа и углеводороды. Окиси углерода, азота в опытах снижались в 4-8 раз, а светимость пламени увеличивалась в 5-10 раз.

Данные проведенных экспериментов, по сути, подтверждают гипотезу о возможности  эффективного экологически чистого  горения как процесса прямого  преобразования химической энергии  органического топлива в энергию  электромагнитного излучения факела пламени (включая тепловой и оптический диапазоны). В процессе горения происходит устранение экологически вредных токсичных компонент в отходящих газах в результате многократной интенсификации процесса горения под действием электромагнитных катализаторов.