В поисках безуглеродных топлив специалисты всё чаще обращают внимание на аммиак. В отличие от водорода, его проще хранить и перевозить, а при сгорании теоретически выделяются только азот и вода. Однако на практике в выбросах могут присутствовать оксиды азота и другие побочные продукты.
Исследователи из Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН изучают, как сделать горение аммиака и его смесей с традиционным топливом максимально экологичным и эффективным. Одна из статей по этой теме опубликована в международном журнале Applied Sciences.
Пламя смеси аммиака и метана
«Сравнительно недавно начался поиск безуглеродных топлив, то есть таких, которые не дают выбросов углеродсодержащих соединений (CO и CO2) в атмосферу. Один из перспективных кандидатов — аммиак: в его молекуле нет углерода, и он широко применяется в промышленности (например, для производства азотных удобрений), а значит, уже создана вся необходимая инфраструктура для его хранения, транспортировки и распределения», — рассказывает научный сотрудник лаборатории кинетики процессов горения ИХКГ СО РАН кандидат физико-математических наук Ксения Николаевна Осипова.
Аммиак (NH₃) рассматривается как химический носитель водорода: в молекуле довольно высокое массовое содержание атомов H. При этом смеси аммиака с воздухом малопригодны для нужд энергетики и транспорта из‑за очень низкой скорости горения по сравнению с обычными углеводородами. Поэтому в мире активно изучают смеси NH₃ с различными видами топлив.
«Водород — отличное топливо, но его сложно хранить, поэтому мы обратили внимание на аммиак как удобный носитель водорода. Чтобы применять его в двигателях, нужно досконально изучить процесс горения. Тогда можно будет создавать компьютерные модели и дорабатывать двигатели внутреннего сгорания для работы на новых смесях», — добавляет младший научный сотрудник лаборатории кинетики процессов горения Владислав Витальевич Матюшков.
В состав аммиака входят азот и водород. При горении водород образует воду, выделяя много энергии, поэтому NH₃ рассматривают и как энергоаккумулятор. Аммиак можно синтезировать из водорода и азота, причем азот берут из воздуха, а водород — из разных источников, например получают из той же воды с помощью солнечной или ветровой энергии. NH₃ проще и безопаснее хранить, чем чистый водород.
«Хотя при идеальном сгорании образуются только азот и вода, в реальных условиях могут появляться оксиды азота или недогоревший аммиак. Если добавлять другое топливо для лучшего горения, могут возникать и более токсичные вещества, например синильная кислота. Поэтому важно изучать химию горения, понимать, какие реакции идут в пламени, чтобы подобрать оптимальное соотношение аммиака, добавочного топлива и кислорода. Так можно получить максимум энергии и минимум вредных выбросов», — поясняет заведующий лабораторией кинетики процессов горения ИХКГ СО РАН доктор химических наук Андрей Геннадьевич Шмаков.
Аммиак целесообразно использовать там, где можно обеспечить стационарные условия горения. Например, на судах или электростанциях после выхода на оптимальный режим установка работает стабильно, а вредные оксиды азота практически не образуются, всё дожигается до чистого вещества. В результате процесс становится экологичным. В случае с легковым автотранспортом ситуация иная. При частых изменениях режима, например при старте с места, выбросы оксидов азота резко возрастают, пока система управления двигателя не подстроится. Поэтому для автомобилей аммиак как топливо мало пригоден.
Работа исследователей началась с изучения простых топливных смесей: аммиак смешивали с водородом. На следующем этапе специалисты перешли к смесям аммиака с легкими углеводородами, такими как метан, этан и этилен. Затем фокус сместился на системы с оксигенатами — простейшими спиртами (метанол, этанол, бутанол) и эфирами (диметиловый и диэтиловый эфир), которые могут быть получены из органического сырья.
Сейчас идёт третий этап исследований: изучается горение аммиака в смеси с тяжёлыми углеводородами, характерными для бензина, дизельного и авиационного топлива. Конечная цель проекта — сформировать базу экспериментальных данных. Она необходима для проверки и доработки существующих теоретических моделей горения. Задача состоит в том, чтобы выявить их недостатки и повысить точность предсказания параметров процессов, протекающих в двигателях в реальных условиях.
Пламя смеси метанаммиак, стабилизированное на горелке. Отбор пробы
«В нашей лаборатории используются два основных типа экспериментов. Первый — это изучение структуры пламени, то есть измерение пространственного распределения концентраций веществ в пламени, в том числе при давлениях выше атмосферного. Это позволяет приблизить условия эксперимента к реальным, характерным для двигателей. Второй тип — эксперименты в реакторе струйного перемешивания, который применяется для изучения кинетики окисления топлив при более низких температурах, чем в пламени, и позволяет точно определить температуру начала реакций окисления», — отмечает Ксения Осипова.
Исследователи получают данные о продуктах окисления, то есть о том, какие вещества образуются при горении исследуемой топливной смеси. Эта информация позволяет оценить корректность теоретических моделей. Благодаря большому объёму данных удается находить реакции, из-за которых расчет расходится с экспериментом, и совершенствовать модели горения перспективных топлив.
«Помимо этого, мы изучаем образование ионов в пламени. Понимание механизма взаимодействия ионов с нейтральными компонентами пламени позволит разработать эффективные методы управления горением с помощью внешнего электрического поля, при котором возникает так называемый ионный ветер. Как и при горении углеводородов, в топливных смесях, содержащих аммиак, основным путем образования заряженных частиц является не термоионизация, а хемоионизация. В таких смесях мы обнаружили большое разнообразие азотсодержащих ионов. Нам впервые в мире удалось описать механизм образования положительных ионов в пламени смеси аммиака и метана. Сейчас мы изучаем кинетику образования отрицательных ионов. В будущем это поможет создать датчики, которые в реальном времени позволят поддерживать оптимальный режим работы двигателя», — дополняет старший научный сотрудник лаборатории кинетики процессов горения ИХКГ СО РАН доктор физико-математических наук Денис Анатольевич Князьков.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-00165.
Текст: Ирина Баранова.
Источник: «Наука в Сибири».