Ученые из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН нашли способ, позволяющий управлять горением смесей метана, аммиака и водорода с помощью слабых электрических полей. Их открытие может стать важным шагом на пути к созданию инновационных камер сгорания, в которых устойчивость и чистота пламени будут регулироваться своеобразным электрическим пультом управления.
Новосибирские исследователи обратили внимание на топливные смеси на основе водорода, когда изучали новые варианты декарбонизации энергетики. Выяснилось, что метан в сочетании с водородом может служить как переходное топливо, а аммиак, при сгорании не выделяющий CO₂, — как удобный носитель водорода. Однако у этих видов топлива нашлись слабые стороны: низкая скорость горения, сложность воспламенения и риск выбросов оксидов азота. Тогда ученые предложили обойти эти недостатки, используя способность пламени проводить электрический ток. Это возможно благодаря наличию ионов в зоне горения. Опыты показали, что даже относительно небольшое напряжение способно менять форму и устойчивость факела, а также распределение температуры. Причем на это уходит лишь несколько ватт энергии – ничтожно мало в сравнении с мощностью, выделяемой при сгорании топлива.
Для проверки гипотезы исследователи организовали серию экспериментов с диффузионным пламенем. Смеси подавали через миниатюрную горелку, а электроды располагали либо поперек струи, либо вдоль нее. В первом случае пламя изгибалось и деформировалось, но при этом сохраняло ламинарный, то есть устойчивый и упорядоченный режим горения. Это позволяло расширять зону реакции и уменьшать длину факела. Во втором случае наблюдался более интересный эффект: при достижении определенного напряжения пламя, которое до этого «парило» над горелкой, снова «садилось» на нее. Это сопровождалось стократным увеличением силы тока через пламя. Ученые также зафиксировали промежуточный режим, когда часть факела прижималась к горелке, а часть оставалась парящей.
Чтобы рассмотреть внутреннюю структуру факела, исследователи использовали метод оптики Гильберта, позволяющий получать четкие изображения колебаний температуры и плотности. С помощью этого метода удалось восстановить распределение тепла и состав газов в зоне горения. Оказалось, что основные выбросы оксидов азота формируются в бедной части смеси, где реакция уже завершается. При воздействии электрического поля факел смещался к оси струи и расширялся, что свидетельствовало об изменении положения и размеров области окислительных процессов.
Особый интерес у исследователей вызвали аммиачно-водородные смеси. Сам по себе аммиак воспламеняется плохо и образует пламя с очень слабой проводимостью. Однако эксперименты показали, что добавка 30% водорода радикально меняет картину: пламя начинает проявлять выраженные электрические свойства и становится управляемым с помощью поля. Хотя сила токов остается заметно ниже, чем в случае с метано-водородными смесями, этого уровня достаточно, чтобы использовать эффект для управления процессом горения.
Таким образом, исследователи показали, что электрическое поле может стать эффективным инструментом для управления горением безуглеродных топливных смесей. Для энергетики это особенно важно: возможность электрического контроля позволит будущим газовым турбинам и котлам работать без вредных выбросов и при этом сохранять высокую эффективность.
