Проблема нехватки энергоресурсов, прогнозируемая в будущем, и требования экологической чистоты производства заставляют искать пути рационального и эффективного использования тех источников, которые бы могли надежно и надолго обеспечить общество энергией.

Уже в настоящее время наметилась тенденция переориентации тепловой энергетики многих стран мира, в основном, на два вида топлива – ядерное и органическое твердое (уголь), поскольку статистические данные по запасам этих топлив обещают обеспечение ими на несколько столетий вперед. Кроме этого многие развитые страны (Япония, США, Канада, Евросоюз и др.) вкладывают огромные средства в нетрадиционную энергетику и в развитие технологии и удешевление получения водородного топлива.

Если по ядерному топливу все проблемы в основном упираются в профессионализм и чувство ответственности персонала, обслуживающего оборудование атомных электростанций, то при использовании углей (особенно низкореакционных) на электростанциях существуют трудности технологического характера. Проблема использования твердых топлив ухудшенного качества приобретает особую остроту в связи с тем, что угольные электростанции в будущем вынуждены будут работать в пиковом и полупиковом режимах покрытия нагрузок суточного электропотребления, т.е. в динамичных нагрузках. К тому же, многие десятилетия наблюдается процесс ухудшения качества твердого топлива, поставляемого на электростанции; особенно в тех регионах, где разработка углей осуществляется давно.

Сложность сжигания твердых топлив связана, прежде всего, с невозможностью частиц угля изменяться в объеме, в то время как окислитель расширяется. Устойчивое горение частицы топлива должно обеспечиваться: достаточным содержанием горючих летучих; развитой поверхностью контакта между частицей и окислителем; предварительным прогревом топливных частиц или сравнительно низкой температурой горения; достаточным временем пребывания
частиц топлива в зоне высоких температур.

Горючие летучие покидая частицу при 370…400 0С, окисляются с выделением тепла, за счет чего должен успеть прогреться коксовый остаток до температуры воспламенения (примерно 900 0С). Процесс прогрева и выгорания частиц топлива происходит в течение нескольких секунд и должен не превышать по времени пребывание ее в зоне активного горения, т.е. динамика выгорания частицы должна быть сопоставима с динамикой движения частицы в объеме топки котла. Анализ показывает, что пространство топки, где температура изменяется примерно от 1700 0С до 9000С, частица пролетает за 2 – 3 секунды. Именно за этот промежуток времени и должен завершиться процесс выгорания частицы. Та часть частиц топлива, которая не успела выгореть (а это в основном более крупные частицы) составляет потери с механическим недожогом топлива. На современных котлах, работающих на низкореакционном топливе, такие потери доходят до 15 – 17 %. Чем больше выход горючих летучих в топливе, тем динамика выгорания происходит быстрее и потери с механическим недожогом уменьшаются. Таким образом, любой технологический прием, влияющий на повышение скорость динамических процессов в топке котла тепловой электростанции является положительным.

 

Существуют три направления интенсификации процессов горения:

- изменением конструкции топки котла и технологии сжигания топлива;
- воздействием на топливо, например, изменением тонины помола;
- воздействием на окислитель, активируя кислород воздуха.

В теплоэнергетике в той или иной степени все эти приемы широко применяются. Наиболее широко известные: изменение объема топки котла, газификация твердого топлива, использование процессов сжигания топлива в кипящем слое, увеличение объемов воздуха по отношению к теоретически необходимому, кислородное дутьё. Менее требовательна к технологическим процессам при окислении угля и к качеству топлива газификация. Известно, что газифицировать можно угольную породу с содержанием горючих веществ до 10 %. Физическая модель процесса газификации угля в кипящем слое может быть представлена следующим образом. Кипящий слой является сложной гетерогенной системой, состоящей из двух фаз: твердой, представленной мелкими фракциями рядового угля и добавок, связывающих оксиды серы и азота; и газообразной, образуемой за счет дутья и продуктов газификации. Частицы топлива в кипящем слое находятся в непрерывном хаотическом движении, создавая в горизонтальной плоскости равномерный перенос тепла и массы. По высоте частицы топлива распределяются по слоям, в результате чего в нижней части камеры сосредотачиваются более крупные частицы. Мелкие фракции попадают в верхние слои и создают условия для потерь теплоты с механическим недожогом топлива. Потери углерода при газификации с уносом, шлаком, в смоле и т.д. для различных твердых топлив составляют до 14 %. В условиях недостатка кислорода в процессе газификации происходит образование продуктов неполного горения топлива, равновесный состав которых определяется химическим составом горючей массы топлива и долей подачи воздуха и пара в камеру.

Минимально допустимая высота слоя включает в себя высоту двухфазного динамического слоя, в пределах которого воздух и пар, реагируя с горючими топлива прогреваются до рабочей температуры в кипящем слое. Выделяющаяся в ходе реакций энергия в условиях интенсивного турбулентного обмена передается смеси частиц твердого топлива и газов. Температура слоя при интенсивном перемешивании и равномерном распределении топлива не изменяется по высоте. Поэтому в газификаторе процесс, протекающий в двухфазном слое, можно считать изотермическим. Для газификации угля кипящего слоя при атмосферном давлении, определяющими являются химические реакции горения и восстановления.
Активацию окислителя можно производить с помощью наномодификаторов. Наноматериалы и нанотехнологии начинают активно использоваться в самых различных отраслях промышленности. Особенно привлекательны, в том числе, и для энергетики, углеродные наноструктуры нового гомологического ряда - фуллерены и фуллероиды. Как показали экспериментальные исследования, проводившиеся во многих научных центрах, такие углеродные наноматериалы способствуют фотофизическим реакциям образования синглетно-возбужденного состояния контактирующего с ними молекулярного кислорода воздуха при высоких уровнях воздействия на них электромагнитного излучения. Синглетно-возбужденный, таким образом, молекулярный кислород через люминесценцию практически сразу же переходит в высокостабильное синглетное состояние с энергией 0,97 эВ. При этом время жизни молекулярного кислорода в синлетно-возбужденном состоянии измеряется десятками и сотнями миллисекунд в реальных условиях [9] при нормальном давлении воздушной среды. В предельном же случае, в отсутствии эффективных тушителей время жизни синглетно-возбужденного кислорода может достигать десятков минут. Этого более чем достаточно для участия в реакциях окисления топлива со значительно большей кинетической эффективностью,чем могут обеспечить известные формы активного кислорода (атомарный кислород и озон).

Однако из экономических соображений для достижения промышленно значимых макроэффектов при обработке, например, пылевидных твердых топлив в энергетических установках представляют интерес только те наноматериалы, использование которых возможно в совершенно «гомеопатических» дозах. Например, при их содержании в количествах не более 0,05- 0,001 % по массе твердого топлива.

Электронное строение углеродных кластеров фуллероидного типа, таких как фуллерены, астралены, высокодефектные углеродные нанотрубки, а также аддукты нанокластеров углерода графеновой природы, позволяет использовать их, как эффективное средство преобразования энергии внешнего возбуждения. При этом применение астраленов для модификации различных композиционных материалов, вследствие присущих им мощных агломерационных явлений, требует использования специальных технологических приемов и оборудования (ультразвуковые диспергаторы). Однако, учитывая высокую термомеханическую прочность астраленов [6] и многослойных нанотрубок, а также их уникальные нелинейно-оптические характеристики, можно планировать реальное использование этих систем в качестве наномодификаторов – активаторов термохимических процессов в теплоэнергетике, т.е. влиять на химические процессы окисления органических составляющих топлив.

Таким образом, если в угольную пыль, выходящую из горелок котла, вводить вышеуказанные углеродные наноматериалы в количествах 0,05 – 0,001 % от массового расхода топлива, то при наличии мощного светового и терморадиационного излучения, которое и без того существует в топке котла, в объеме топливо - воздушной смеси будет происходить образование синглетно-возбужденного кислорода, что приведет к интенсификации процессов воспламенения и горения твердого топлива.

Экспериментальные исследования интенсификации процессов воспламенения и горения угля с углеродными наномодификаторами - активаторами, проведенные в лабораторных условиях, показали положительные результаты.