Оценка экономической эффективности использования технологии сжигания жидкого топлива в присутствии перегретого водяного пара

Цитирование: Садкин И. С. Оценка экономической эффективности использования технологии сжигания жидкого топлива в присутствии перегретого водяного пара / И. С. Садкин, Е. П. Копьев // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2026, 19(4). С. 426–436. EDN: DVVFIY

[15, 16]. Присутствие H2O в топливно-воздушной смеси генерирует повышенное содержание реактивных радикалов OH, что интенсифицирует окисление монооксида углерода [17]. Таким образом, добавление пара в качестве разбавителя влияет на химическую кинетику горения углеводородов и способствует более эффективному и экологичному сгоранию топлива [18].

В представленном исследовании рассматривается подход к организации процесса горения, реализованного в разработанном специалистами Института теплофизики СО РАН многотопливном горелочном устройстве [19, 20]. Методика работы устройства основана на использовании перегретого водяного пара для формирования топливно-воздушной смеси в установках малой и средней мощности. Ключевой особенностью предложенного решения является применение паровой струи для диспергирования жидкого топлива, что исключает необходимость использования традиционных форсуночных систем высокого давления. Фундаментальное отличие данного подхода заключается в комплексном воздействии перегретого пара на процесс горения – помимо функции распылителя пар выполняет роль активного участника термохимических превращений. Важным преимуществом данного подхода является его способность работать с широким спектром углеводородных топлив, включая составы с повышенным содержанием механических примесей и водной фазы [2, 21, 22]. Особого внимания заслуживает способность технологии работать с низкокачественными и альтернативными топливами, что особенно важно в контексте развития экономики замкнутого цикла и утилизации отходов нефтехимических производств. При этом достигаемый экологический эффект – снижение выбросов NOx до 70 % и CO до 30 % – делает данную технологию перспективной для внедрения в регионах с жесткими экологическими требованиями. Эффективность технологии дополнительно повышается за счет гибкой системы управления процессом, позволяющей варьировать такие ключевые параметры, как интенсивность парового потока, его температурный режим, а также баланс между первичным и вторичным воздушными потоками. Такая многопараметрическая система регулирования обеспечивает возможность точной оптимизации процесса горения для различных типов топлив и режимов эксплуатации.

Полученные ранее данные [19, 20] демонстрируют перспективность использования данного подхода, однако дальнейшее внедрение технологии требует оценки экономических показателей, включая стоимость генерации пара, эксплуатационные расходы и потенциальную экономию за счет снижения выбросов. В настоящей работе на примере прототипа горелочного устройства для нужд коммунально-бытового хозяйства, реализующего распыл и сжигание топлива в струе перегретого водяного пара, рассматриваются энергетические и экономические аспекты применения водяного пара. Оценивается величина энергетических затрат на приготовление пара различными техническими решениями, оценивается удорожание переменных затрат от появления дополнительной статьи расходов на очищенную воду, приводится оценка стоимости снижения выбросов. Данные показатели направлены на анализ конкурентоспособности предложенного подхода относительно существующих технологий сжигания топлива.

Методика и оборудование

В рамках настоящей работы выполненные оценки проведены на примере работы котлоагрегата Vitola 200 с установленным горелочным устройством, разработанным в ИТ СО РАН и основанным на методе распыла топлива высокоскоростной струей пара в камеру газогенера-ции [20], рис. 1.

Рис. 1. Схема горелочного устройства

Fig. 1. Scheme of the burner device

Генерация пара в устройстве может производиться как при помощи внешнего оборудования, например электрического парогенератора, так и в самом горелочном устройстве при помощи охлаждающих каналов камеры газогенерации. В работе [20] были продемонстрированы характеристики работы оборудования при расчетном мощностном режиме 37.5 кВт (расходе жидкого топлива 3 кг/ч) и подаче пара с использованием внешнего электрического парогенератора (см. табл. 1).

Оценка эффективности работы энергетического оборудования была выполнена на основе формулы КПД котла, которая зависит не только от полноты сгорания топлива, но и от суммар-

Таблица 1. Тепловые и экологические характеристики работы горелочного устройства ИТ СО РАН на котлоагрегате Vitola 200 при расходе жидкого топлива 3 кг/ч

Table 1. Thermal and environmental characteristics of the IT SB RAS burner device on the Vitola 200 boiler with a liquid fuel consumption of 3 kg/h

Режим 1 2 3 4 Топливо, кг/ч 3 Расход пара, кг/ч 1000 1400 2000 2500 Абс. давление пара, атм 4 4.4 5 5.5 Температура пара, °C 250 ± 10 Температура уходящих газов, °C 175 170 143 107 Снижение СО относительно максимально допустимого значения EN 267 для дизельного топлива, % 50 60 80 75 Снижение NOx относительно максимально допустимого значения EN 267 для дизельного топлива, % 45 50 61 70 ных тепловых потерь и совершенства оборудования, что может быть представлено в общем виде:

η к = 100 – ( q 1 +q 2 +q 3 +q 4 +q 5 +q 6 ),                                              (1)

где η к – КПД котла, q 2 …q 6 (в %) – потери теплоты с уходящими газами, от химического недожога топлива, от механического недожога топлива, от наружного охлаждения и потери теплоты с шлаком соответственно.

Оценка доли стоимости пара относительно цены топлива ведется по формуле:

где G _пар – расход пара на распыл 1 кг топлива, Ц_i – цена очищенной воды, затраты на парогене-рацию (стоимость затраченной энергии), цена топлива.

Оценка стоимости снижения выбросов ведется по формуле:

где G _топл – расход топлива.

Принимается, что цена очищенной воды формируется из стоимости дистиллированной воды, а затраты на парогенерацию определяются произведением стоимости ресурса (эл/эн либо топлива) на его расход для доведения пара до требуемых параметров. Так, в расчетах сделаны следующие допущения и упрощения на основе текущей рыночной конъюнктуры и физических факторов в целях упрощения ведения расчетов: стоимость 1 л очищенной (дистиллированной) воды для парогенератора – 10 руб, стоимость 1 кВт·ч эл/эн – 8 руб, теплота парообразования и перегрева пара до требуемых параметров – 2,86 МДж/кг, низшая/высшая теплота сгорания топлива – 42,5/44,5 МДж/кг.

Результаты и обсуждение

Из полученных ранее экспериментальных результатов [19, 20] определено, что полнота сгорания топлива близка к 100 %, таким образом, в дальнейших оценках принято, что горелочное устройство ИТ СО РАН позволяет полностью использовать потенциал широкого класса жидких горючих углеводородов. При этом показано, что наибольший эффект от использования пара с целью снижения производства вредных веществ СО и NOx достигается при относительном массовом расходе пара не менее 2/3 к массовому расходу топлива. Считая, что пар производится из воды при стандартных условиях, то на генерацию такого количества пара из воды комнатной температуры расходуется 4–5 % теплоты жидкого топлива. На рис. 1 приведена диаграмма потерь при работе горелочного устройства в котлоагрегате при относительном массовом расходе пара к топливу 0,66 с использованием внешнего источника пара (рис. 2а), а также при его возможной работе при генерации пара в самом горелочном устройстве при помощи охлаждающих каналов камеры газогенерации (рис. 2б).

Из рис. 2 видно, что при генерации пара за счет собственных тепловыделений тепло возвращается назад в топочное пространство вместе с паровой струей. Однако в анализируемой – 430 –

Рис. 2. Диаграммы потерь энергии при паровом распыле топлива на примере работы горелочного устройства ИТ СО РАН в котлоагрегате Vitola 200: а) – пар, генерируемый за счет собственных тепловыделений горелочного устройства, б) – пар, генерируемый во внешнем электрическом парогенераторе

Fig. 2. Energy loss diagrams for steam atomization of fuel using the example of the operation of IT SB RAS burner device in a Vitola 200 boiler unit: a) – steam generated by the burner device’s own heat emissions, b) – steam generated in an external electric steam generator работе [20] котлоагрегат не оборудован дополнительным конденсационным оборудованием, поэтому потери энергии происходят со скрытой теплотой парообразования водяных паров, удаляемых вместе с дымовыми газами, на которые приходится 4–5 % выделяемой при горении топлива теплоты. В этом случае происходит снижение КПД котла относительно нормированного значения на величину дополнительных потерь (см. рис. 1а). Согласно паспорту изделия Viessmann Vitola 200, КПД котла при работе с распылительной форсункой составляет 90 % в расчете по низшей теплоте сгорания: 1–3 % составляют потери от неполноты сгорания топлива и наружного охлаждения, 6–7 % приходится на потери теплоты с уходящими газами.

В случае использования внешнего парогенератора с паровой струей вносится в топку дополнительная теплота. Однако ее полезное использование ограничено теплоемкостью водяных паров, теплота парообразования, на которую приходится большая часть энергопотребления на производство пара, не воспринимается топочным пространством и теряется вместе с теплотой уходящих газов (см. рис. 2б).

Проводя сравнение относительного удорожания топливных издержек, рассчитанных по формуле (2), при распыле топлива паром, генерируемым различными способами (см. рис. 3), можно отметить, что по мере удорожания стоимости топлива затраты на парообразование путем использования электропарогенератора или теплоты самого топлива сравниваются. Становится не принципиальным, какой источник пара использовать для получения пара. Для текущих цен на качественные жидкие топлива затраты на природоохранную технологию в виде добавки пара не превышают 15 %.

В случае использования низкокачественных топлив применение парового распыла ведет к дополнительным издержкам на подготовку пара до 35–45 %. Однако реализация технологии распыла и сжигания топлива в струе перегретого водяного пара обеспечивает возможность сжигания некондиционных жидких топлив, которые не подходят для традиционных горелочных устройств. В этом случае вовлекаются в топливный баланс невостребованные углеводо- – 431 –

Рис. 3. Доля стоимости подготовки пара на распыл относительно цены топлива при относительном расходе пара 0,66 и стоимости дистиллята 10 руб./л. 1 – КПД электропарогенератора 90 %, 2 – 80 %, 3 – генерация пара за счет собственных тепловыделений горелки

Fig. 3. The share of the cost of steam preparation relative to the fuel price with a relative steam consumption of 0,66 and a distillate cost of 10 rubles/litr. 1 – efficiency of the electric steam generator 90 %, 2 – 80 %, 3 – generation due to burner’s heat emissions роды с низкой стоимостью, в результате чего абсолютная величина топливно-паровых затрат все равно оказывается 1,5–2 раза ниже, чем при стандартном сжигании качественных топлив, таких как дизель.

На рис. 4 представлен график зависимости снижения выбросов CO и NOx относительно максимально допустимой величины по нормативу DIN EN 267 в зависимости от относительного расхода пара, полученных при сжигании дизельного топлива [20]. Характер зависимости снижения выбросов NOx близок к линейному: чем выше расход пара по отношению к топливу, тем значительнее снижаются выбросы. Выбросы СО снижаются до величины относительного расхода пара около 2/3, после чего наблюдается рост выбросов, что обуславливается высоким содержанием влаги в паро-топливо-воздушной смеси.

Далее на примере дизельного топлива представлен прирост затрат от использования пара в зависимости от величины снижения выбросов NOx, рис. 5.

Можно видеть, что при использовании качественного дизельного топлива и принятых затратах на электроэнергию 8 руб./кВт · ч (в частности, в этот диапазон укладывается большинство потребителей Сибирского региона) разница стоимости генерации пара между электрическими вариантами и за счет собственных тепловыделений не превышает 1,5 руб. за каждый литр дизельного топлива. Это обуславливается высокой стоимостью ДТ, при которой различие между способами подготовки пара сокращается, что было показано на рис. 3.

В табл. 2 приведено сопоставление стоимости использования горелочного устройства при сжигании жидкого топлива в струе перегретого пара с широко представленным аналогом горелочного устройства, с механическим распылом топлива, который не требует применения внешнего оборудования, как парогенератор или компрессор.

Рис. 4. Доля снижения выбросов СО и NOx относительно максимально допустимых значений DIN EN 267 при сжигании дизельного топлива в зависимости от относительного расхода пара [20]

Рис. 5. Прирост затрат на использование пара при относительном расходе пара 0,66 и стоимости дистиллята 10 руб./л. 1 – КПД электропарогенератора 90 %, 2 – 80 %, 3 – генерация пара за счет собственных тепловыделений горелки

Fig. 4. Proportion of reduction in CO and NOx emissions relative to the maximum permissible values of DIN EN 267 when burning diesel fuel depending on the relative steam consumption [20]

Fig. 5. Increase in costs from using steam with a relative steam consumption of 0,66 and a distillate cost of 10 rubles/litr. 1 – efficiency of the electric steam generator 90 %, 2 – 80 %, 3 – steam generation due to the burner’s heat emissions

Таблица 2. Экономические параметры работы горелочного устройства ИТ СО РАН на котлоагрегате Vitola 200

Table 2. Economic parameters of the IT SB RAS burner device operation on the Vitola 200 boiler

Горелка	Сажепаровая			Стандартная
Топливо	ДТ	Отработка	Мазут	ДТ
Стоимость топлива	75 руб./л	20 руб./л	25 тыс./т	75 руб./л
Стоимость пара за счет электроПГ, руб./кг топл.	11,3	11,3	11,3	-
Стоимость пара за счет топлива, руб./кг топл.	10,3	7,6	7,8	-
Топливные и паровые затраты на Гкал тепловой энергии, тыс. руб.	10,2	3,5	4	8,7

Можно видеть, несмотря на то, что при использовании качественных энергоносителей, такое как дизельное топливо, использование пара усложняет и удорожает эксплуатацию, с другой стороны, применение пара позволяет в единой конструкции горелочного устройства использовать более дешевые жидкие топлива с сохранением экологических показателей, что ведет к снижению себестоимости получаемой тепловой энергии. В то же время при сопоставлении с экономическими показателями централизованных систем теплоснабжения и газифицированными районами использование жидкотопливных горелочных устройств оказывается дороже. Так, для сравнения (по тарифам Новосибирска и Новосибирской области), стоимость

Гкал тепловой энергии: централизованное теплоснабжение – 2300 руб., электроотопление – 4800 и 8500 для физических и юридических лиц соответственно, газовое отопление ~1000 руб.

Таким образом, актуальным применением данной технологии могут быть удаленные от централизованных сетей малые и средние объекты, где возможно применение различного по качеству и составу жидкого топлива, что снижает зависимость таких объектов от поставок качественного энергоносителя.

Дальнейшим перспективным направлением развития технологии сжигания жидкого топлива при его распыле паровой струей является оптимизация конструкции горелочного устройства: разработка интегрированного парогенератора, исследования коррозионного износа при работе на низкокачественных топливах.

Заключение

Проведена оценка экономических показателей использования разработанного в ИТ СО РАН подхода к сжиганию жидких топлив в струе перегретого водяного пара на примере оригинального горелочного устройства, адаптированного к работе в существующем коммунально-бытовом оборудовании. Выполнена оценка стоимости снижения выбросов и доли затрат на пар в цене топлива для различных технологических схем его генерации. Получено, что анализируемая низкоэмиссионная технология сжигания жидких топлив с использованием перегретого водяного пара, обладающая высокой экологической эффективностью (снижение NOx до 70 %, CO до 30 %), позволяет использовать низкосортные топлива, что, даже с учётом затрат на пар, приводит к значительному снижению себестоимости энергии. Удорожание топливной составляющей для качественного топлива составляет 10–15 %. Наибольший экономический эффект технология имеет при утилизации дешёвых низкокачественных топлив (отработанное масло, мазут), а также в регионах с жёсткими экологическими нормативами, где стоимость сверхнормативных выбросов высока. Несмотря на затраты, связанные с генерацией пара, технология предлагает значительную экономию за счет топливной гибкости, в том числе с использованием горючих отходов, снижения экологических издержек и увеличения срока службы оборудования. Метод представляет собой пример успешного сочетания экологической и экономической эффективности, а его дальнейшее развитие требует детального анализа затрат и выгод на всех этапах реализации.