Ученые Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова при участии НОЦ мирового уровня «Российская Арктика» совершенствуют топочное устройство для котлов на древесных гранулах. Задача проекта – повысить эффективность использования биотоплива и снизить вредные выбросы.

Первый этап научно-исследовательской работы уже завершен. Исследования проводились на базе действующей котельной в селе Шангалы Устьянского округа Архангельской области. В ее состав входят четыре водогрейных котла UTK-300 мощностью по 300 кВт каждый, а суммарная установленная мощность объекта составляет 1,2 МВт.
В марте 2026 года специалисты провели комплексное энергетическое обследование котельной. Они изучили работу оборудования в различных режимах, характеристики топлива и продуктов сгорания, выполнили балансовые опыты, 3D-сканирование топочного устройства и теплообменных поверхностей, а также провели патентный поиск и анализ материалов.
Результаты показали, что существующее оборудование обладает значительным потенциалом для модернизации. При базовых настройках работа котлов отличалась выраженной цикличностью, что приводило к изменению энергетических и экологических показателей. В отдельные периоды КПД снижался почти на 20% относительно рабочего цикла из-за роста тепловых потерь и химического недожога топлива.

По словам руководителя НИР, кандидата технических наук, директора Высшей школы энергетики, нефти и газа Анатолия Попова, одно из ключевых направлений дальнейшей работы – переход от одноступенчатой к двухступенчатой схеме сжигания.

– Сначала топливо сжигается в топочной камере, а выделяющиеся горючие газы и продукты неполного сгорания дожигаются в отдельной зоне с подачей вторичного воздуха. Это снижает потери тепла и выбросы вредных веществ в атмосферу, – пояснил Анатолий Попов.

Помимо изменения конструкции, специалисты прорабатывают оптимизацию подачи воздуха и топлива, увеличение объёма топочной камеры, совершенствование автоматики и установку дополнительных средств контроля. Эксперименты показали, что оптимальный диапазон содержания кислорода в продуктах сгорания на выходе из котлов составляет 6–7%.
Особое внимание уделяется экологическим показателям. Исследования выявили повышенные выбросы монооксида углерода в отдельных режимах работы оборудования. При этом корректировка процесса горения позволяет существенно улучшить показатели. Так, при ручной оптимизации подачи воздуха в одном из опытов КПД котла достиг 92,89%.
Важным этапом исследования стало 3D-сканирование оборудования. Оно позволило получить фактическую геометрию топочного устройства, которая будет использована при построении цифровой модели. Следующий шаг – CFD-моделирование процессов горения, движения газов и теплообмена. Это даст возможность виртуально испытывать различные варианты конструкции до изготовления опытного образца.

Перспективы проекта для энергетики Архангельской области

Проект особенно актуален для Архангельской области, где активно развивается использование местного биотоплива в коммунальной энергетике. Согласно данным отчёта, в регионе планируется строительство 20 биотопливных котельных: двух в Архангельске, одной в Плесецком округе, трех в Приморском и 14 в Устьянском округе.

Результаты работы могут быть востребованы значительно шире одного объекта. Совершенствование отечественного котельного оборудования позволит эффективнее использовать древесные гранулы, снизить нагрузку на окружающую среду и расширить применение местных топливных ресурсов.
Работа продолжится в 2027–2028 годах. Ученым предстоит разработать конструкции топочных камер для жаротрубного котла мощностью 300 кВт, выполнить компьютерное моделирование и расчётные исследования, оптимизировать теплообменные поверхности и режимы работы. В дальнейшем планируются опытно-промышленные испытания котлоагрегата мощностью 1 МВт.
Завершение НИР намечено на 2028 год, после чего проект перейдет к опытно-конструкторским работам. По оценке руководителя исследования, первые промышленные образцы и их сертификация возможны к 2030 году.

По материалам НОЦ мирового уровня «Российская Арктика»