2024 ООО «Импекс-1»
«Сжигание низкоуглеродных и безуглеродных топлив в газопоршневых и газотурбинных установках»
Б.А. Рыбаков (к.т.н.)
М.А. Савитенко
О.А. Сиделев
А.И. Счастливцев (к.т.н.)
АНО "Водородные технологические решения"
ООО "Хуасюнь Групп Ру"
ФГБУН Объединенный институт высоких. температур РАН
М.А. Савитенко
О.А. Сиделев
А.И. Счастливцев (к.т.н.)
АНО "Водородные технологические решения"
ООО "Хуасюнь Групп Ру"
ФГБУН Объединенный институт высоких. температур РАН
Быстрое истощение запасов ископаемого топлива из-за растущего спроса на энергию приводит к росту цен на нефтяное топливо. Кроме того, строгие нормы выбросов в целях энергоэф- фективности и экологические требования увеличивают количество исследований по использованию альтернативных видов топлива. Согласно отчету Комиссии Европейского союза «Белая книга», в 2050 г. планируется сократить на 60 % выбросы парниковых газов, образую- щиеся при транспортировке, по сравнению с 1990 г. Установленные нормативными актами пределы выбросов постоянно снижаются по мере развития технологий, но выбросы твердых частиц увеличились.
Параллельно с этим процессом продол- жаются исследования альтернативных эколо- гически чистых видов топлива в автомобиль- ной промышленности. Из-за низкой плотно- сти энергии в аккумуляторах и инфраструктурных проблем электромобили пока не получили широкого распространения, поэтому зависимость от автомобилей с ДВС в ближай- шем будущем сохранится.
В последнее время исследователи скло- няются к альтернативным видам топлива, таким как водород, метан, биогаз, этанол и метанол. Использование газообразного топли- ва стимулируется разработкой легких балло- нов для хранения его под высоким давлением и низкой стоимостью. Выбросы CO, твердых частиц, а также CO2 значительно сокращают- ся благодаря низкому соотношению углерода и водорода. Выбросы NOx снижаются благодаря более низкой температуре в цилиндрах.
Свойства метана делают его пригодным для использования в двигателях с искровым зажи- ганием. Он обладает высоким октановым числом, а следовательно, высокой температурой самовоспламенения и антидетонационными свойствами. Кроме того, двигатели с искровым зажиганием, работающие на метане, могут работать с более высокой степенью сжатия, обеспечивая таким образом более высокую тепловую эффективность. Медленную скорость горения метана можно улучшить путем смешивания метана с водоро- дом [1; 2], скорость горения которого в семь раз выше, чем у метана в стехиометрических условиях [3; 4]. Его широкие пределы воспла- меняемости и низкий зазор тушения способ- ствуют увеличению предела бережливой экс- плуатации двигателя, повышая тепловую эффективность [5; 6].
В последнее время исследователи скло- няются к альтернативным видам топлива, таким как водород, метан, биогаз, этанол и метанол. Использование газообразного топли- ва стимулируется разработкой легких балло- нов для хранения его под высоким давлением и низкой стоимостью. Выбросы CO, твердых частиц, а также CO2 значительно сокращают- ся благодаря низкому соотношению углерода и водорода. Выбросы NOx снижаются благодаря более низкой температуре в цилиндрах.
Свойства метана делают его пригодным для использования в двигателях с искровым зажи- ганием. Он обладает высоким октановым числом, а следовательно, высокой температурой самовоспламенения и антидетонационными свойствами. Кроме того, двигатели с искровым зажиганием, работающие на метане, могут работать с более высокой степенью сжатия, обеспечивая таким образом более высокую тепловую эффективность. Медленную скорость горения метана можно улучшить путем смешивания метана с водоро- дом [1; 2], скорость горения которого в семь раз выше, чем у метана в стехиометрических условиях [3; 4]. Его широкие пределы воспла- меняемости и низкий зазор тушения способ- ствуют увеличению предела бережливой экс- плуатации двигателя, повышая тепловую эффективность [5; 6].
Водород - это безуглеродное альтернатив- ное топливо
Водород - это безуглеродное альтернативное топливо, которое после сгорания выделяет только водяной пар. Водород может быть получен из ископаемого топлива или путем преобразования биомассы, электролизом или прямым термохимическим преобразованием от солнечной энергии [7]. Кроме того, он является чрезвычайно чистым и безвредным для окружающей среды топливом, когда про- изводится из возобновляемых источников энергии, его также можно использовать в качестве носителя вторичной энергии, например электрической.
В работе [3] процессы внутри цилиндра, происходящие в малотоннажном двигателе GDI, были охарактеризованы с помощью комбинированного анализа оптических и расчетных данных, таких как давление в цилиндре и скорость тепловыделения. Также были измерены нормативные выбросы выхлопных газов, проведены экспериментальные исследования для изучения влияния водорода на процесс сгорания. Двигатель заправлялся чистым метаном и смесями с 20 % и 40 % объемным содержанием водорода в метане и работал при стехиометрических условиях. Был прове- ден комплексный анализ сгорания метана и водородно-метановых смесей. Экспериментальные исследования проводи- лись на малолитражном двигателе с прозрач- ными стенками цилиндра, с непосредствен- ным впрыском топлива и искровым зажиганием, Двигатель работал при частоте вращения 2000 об/мин (широко открытая дроссельная заслонка).
В процессе сгорания измерялось давление в цилиндре и проводилась высокоскоростная съемка 2D-цифровых изображений, которые позволяют отслеживать развитие струи и рас- пространение пламени в камере сгорания с высоким временным разрешением. Выбросы выхлопных газов измерялись с помощью обычных газоанализаторов. При увеличении содержания водорода возрастает максимальное давление в цилиндре, а продолжительность горения сокращается. Эти результаты свидетельствуют о том, что добавление водо- рода приводит к увеличению скорости пламени, повышая эффективность двигателя. Оптические методы дают возможность лучше понять влияние водорода на сгорание метана. В частности, данные хемилюминесцентной 2D-цифровой визуализации показали, что скорость распространения пламени увеличивается с увеличением содержания водорода и что распространение фронта пламени более равномерное во всех направлениях. Лучшая гомогенизация смеси наблюдается в камере сгорания, когда в топливе присутствует водород, - это обусловлено более высокой диффузионной способностью этого газа по отношению к метану. В частности, при заправке метаном камера сгорания характеризуется зоной с богатой или обедненной смесью, что замедляет распространение фронта пламени.
С другой стороны, водородно-метановая смесь при сгорании более однородна и оказы- вает более эффективное влияние на скорость распространения пламени. Дальнейшего улуч- шения тепловой эффективности можно добиться за счет оптимизации момента опере- жения зажигания. Этот анализ подчеркивает, что прямой впрыск смесей метан/водород позволяет добиться более эффективного сго- рания, а затем и снижения выбросов загряз- няющих веществ, по сравнению с метаном и бензином, благодаря свойствам водорода, уси- ливающим образование смеси и повышающим скорость распространения фронта пламени.
В работе [5], основываясь на высокой сте- пени сжатия, были проведены фундаментальные эксперименты по изучению роли непосредственного впрыска водорода в условиях сгорания от стехиометрических до обедненных. Были проведены синхронные измерения давления в цилиндре и оптическая визуализа- ция пламени для анализа изменений от цикла к циклу тепловой эффективности и эволюции пламени. Результаты свидетельствуют, что по мере добавления водорода колебания от цикла к циклу уменьшаются и тепловая эффективность повышается за счет сокращенной продолжительности горения. Изображение горения показывает, что значи- тельное положительное влияние оказывает непосредственный впрыск водорода, который способствует первоначальному образованию ядра пламени и раннему распространению пламени. Следует отметить, что увеличение доли водорода также приводит к снижению образования выбросов NOх при объемном содержании водорода в метане менее 60 %.
В работе [5], основываясь на высокой сте- пени сжатия, были проведены фундаментальные эксперименты по изучению роли непосредственного впрыска водорода в условиях сгорания от стехиометрических до обедненных. Были проведены синхронные измерения давления в цилиндре и оптическая визуализа- ция пламени для анализа изменений от цикла к циклу тепловой эффективности и эволюции пламени. Результаты свидетельствуют, что по мере добавления водорода колебания от цикла к циклу уменьшаются и тепловая эффективность повышается за счет сокращенной продолжительности горения. Изображение горения показывает, что значи- тельное положительное влияние оказывает непосредственный впрыск водорода, который способствует первоначальному образованию ядра пламени и раннему распространению пламени. Следует отметить, что увеличение доли водорода также приводит к снижению образования выбросов NOх при объемном содержании водорода в метане менее 60 %.
При использовании водорода в газовых турбинах выбросы NOх наоборот увеличиваются из-за повышенных температур сгорания [8; 9] и статической и динамической нестабильно- сти пламени [10; 11]. Эти проблемы требуют модификации камер сгорания газовых турбин, предназначенных для использования углево- дородного топлива. В нескольких работах исследовались эффекты добавления водорода на уровне компонентов. Одну из первых работ выполнил Жюсте [9], где к керосину добавлялось небольшое количество водорода (до 4 % по объему) для исследования выбросов NОх и CO. Было обнаружено, что при впрыске водорода в зону первичного сгорания в камере сгорания уровень CO снижается, в то время как концентрации NОх остаются примерно постоянными. В работе [12] исследовалось, как влияет добавление водорода (до 100 % по объему) к природному газу на выбросы NОх в камере сгорания без предварительного смешивания в турбине мощностью 10 МВт. Используя экспериментально полученные данные о концентрации NOx, авторы разработали эмпирическую модель для ее точного прогнозирования при различных давлениях на входе в камеру сгорания и температурах на выходе.
В работе отмечено различие в термическом и эксергетическом КПД в сторону их увеличения при использовании водорода
В работе [13] авторы исследовали различ- ные концентрации синтез-газа (H2 и CO) в камере сгорания. Во время эксперимента про- изошел серьезный обратный эффект, когда концентрация водорода в топливной смеси превысила 60 % и камера сгорания была повреждена, что подчеркивает необходимость исследования ее конструкции для обеспечения стабильной работы при сжигании топлива с высокой концентрацией водорода.
В работе [14], где исследовалась производительность простой рекуперативной газовой турбины мощностью 50 МВт, работающей на природном газе и водороде, отмечено различие в термическом и эксергетическом КПД в сторону их увеличения при использовании водорода. Кроме того, подчеркнуто различие в производстве и потреблении электроэнергии турбиной и компрессором соответственно, исследовано влияние давления на входе турбины на выбросы и производительность системы. К сожалению, в этом исследовании рассматривались только чистые виды топлива (H2 и CH4) и не уделялось внимания смешиванию водорода и природного газа, что является ключевой темой работ в этой области.
В работе [14], где исследовалась производительность простой рекуперативной газовой турбины мощностью 50 МВт, работающей на природном газе и водороде, отмечено различие в термическом и эксергетическом КПД в сторону их увеличения при использовании водорода. Кроме того, подчеркнуто различие в производстве и потреблении электроэнергии турбиной и компрессором соответственно, исследовано влияние давления на входе турбины на выбросы и производительность системы. К сожалению, в этом исследовании рассматривались только чистые виды топлива (H2 и CH4) и не уделялось внимания смешиванию водорода и природного газа, что является ключевой темой работ в этой области.
Транспортная энергетика
Мировая экономика продолжает расти, что вызывает рост мировой торговли и усиливает влияние транспортной системы и, главным образом, ее основной компоненты — транспортировки грузов морем. Согласно отчету United Nations Conference on Trade and Development (UNCTAD), свыше 70 % стоимости мировой торговли перевозится на борту судов [15]. Повышение эффективности использования потенциала энергоносителей в совокупности с минимизацией ущерба окружающей среде — стандарт проектирования энергетического оборудования в современном мире.
В связи с этим требования законодательных актов IMO (International Maritime Organization) жестко регламентируют выбросы вредных веществ от объектов судоходства. Согласно резолюциям IMO, для каждого нового судна валовой вместимостью ≤ 400 т необходимо определять требуемый (Required) и достижимый (Attained) конструктивный индекс энергетической эффективности судна EEDI (Energy Efficiency Design Index), а также операционный индекс EEOI (Energy Efficiency Operational Index) при проектировании, постройке и эксплуатации судна [16]. EEDI вычисляется в зависимости от типа судна и дедвейта с учетом поправочного коэф- фициента, который постепенно будет ужесто- чаться вплоть до 2025 г. Достижимый EEDI вычисляется в соответствии с методикой IMO и должен быть ≥ требуемого. Физический смысл индексов идентичен и представляет собой отношение массы произведенного энер- гетической установкой судна парникового газа CO2 к величине транспортной работы судна, г СО2/т-миль:
EDI = CO2emission/Transport work = (1) =Engine power*SFC*CF/(DWT*speed)
Требования IMO непосредственно связаны с повышением эффективности использования энергии топлива в судовой энергетике и при- менением альтернативных топлив.
Мировая экономика продолжает расти, что вызывает рост мировой торговли и усиливает влияние транспортной системы и, главным образом, ее основной компоненты — транспортировки грузов морем. Согласно отчету United Nations Conference on Trade and Development (UNCTAD), свыше 70 % стоимости мировой торговли перевозится на борту судов [15]. Повышение эффективности использования потенциала энергоносителей в совокупности с минимизацией ущерба окружающей среде — стандарт проектирования энергетического оборудования в современном мире.
В связи с этим требования законодательных актов IMO (International Maritime Organization) жестко регламентируют выбросы вредных веществ от объектов судоходства. Согласно резолюциям IMO, для каждого нового судна валовой вместимостью ≤ 400 т необходимо определять требуемый (Required) и достижимый (Attained) конструктивный индекс энергетической эффективности судна EEDI (Energy Efficiency Design Index), а также операционный индекс EEOI (Energy Efficiency Operational Index) при проектировании, постройке и эксплуатации судна [16]. EEDI вычисляется в зависимости от типа судна и дедвейта с учетом поправочного коэф- фициента, который постепенно будет ужесто- чаться вплоть до 2025 г. Достижимый EEDI вычисляется в соответствии с методикой IMO и должен быть ≥ требуемого. Физический смысл индексов идентичен и представляет собой отношение массы произведенного энер- гетической установкой судна парникового газа CO2 к величине транспортной работы судна, г СО2/т-миль:
EDI = CO2emission/Transport work = (1) =Engine power*SFC*CF/(DWT*speed)
Требования IMO непосредственно связаны с повышением эффективности использования энергии топлива в судовой энергетике и при- менением альтернативных топлив.
EDI = CO2emission/Transport work = (1) =Engine power*SFC*CF/(DWT*speed)
Это формирует запрос практики на адаптацию энергосберегающих технологий в судовую энергетику, разработку перспективных схем транспортных энергокомплексов, а также на исследование процессов в судовом энергетическом оборудовании. Современные малооборотные дизельные двигатели (МОД) являются основой судовой энергетики. Большая агрегатная мощности и КПД, превышающий 50 % позволяют применять такие двигатели на большинстве типов морских транспортных судов [17]. Достаточно широко в судовой энергетике представлены и среднеоборотные (СОД) дизельные двигатели с механической или электрической передачей мощности на движитель. Некоторое распространение на коммерческом флоте получили турбинные установки, в том числе с газотурбинными двигателями (ГТД). Так, только компания GE, основной производитель морской газотурбинной техники (43 % рынка), поставила 86 ГТД для 47 газотурбинных и комбинированных установок коммерческих судов.
Рис. 1.
Камера сгорания
Камера сгорания
Утилизация вторичных энергоресурсов тепловых двигателей позволяет повысить эффективность использования энергии топлива в судовой пропульсивной установке. Анализ перспективных путей повышения энергоэффективности выявил термохимические технологии, предусматривающие конверсию углеводородных и альтернативных топлив, преобра- зование энергии в металлогидридных утилизационных установках, а также использование плазмохимических систем горения [18]. К этой группе относятся энергоустановки с термохимической конверсией углеводородных топлив за счет вторичных энергоресурсов тепловых двигателей. Физическую основу таких установок формирует совокупность процессов, в результате которых под влиянием тепла вторичных энергоресурсов, отбираемого от них в утилизационном устройстве, осуществляются реакции химического преобразования топлива с образованием синтез-газа. При этом уменьшается расход топлива и снижаются выбросы парниковых газов [17]. Исследования о применимости таких технологий проводятся достаточно широко, но в большей мере касаются стационарной энергетики и наземного транспорта.
Для большинства транспортных судов основная составляющая выбросов CO2 продуцируется двигателем. Как видно из анализа формулы (1), сокращение выбросов CO2 может быть достигнуто как уменьшением рас- хода топлива (Engine power x SFC), так и применением топлива с низким содержанием углерода (учитывается индексом CF).
Табл. 1.
Характеристики основных судовых топлив
Характеристики основных судовых топлив
В условиях допущения, что мощность силовой установки, дедвейт и скорость судна могут быть приняты постоянными, влиять на конструк-ивный индекс энергетической эффективности судна EEDI может только удельный расход топлива SFC и коэффициент содержания углерода в топливе CF:
EEDI = KxSFCxCF,
где K = мощность двигателя / DWTЧскорость, кВт/т-миль.
Удельный расход топлива обратно пропорционально зависит от низшей теплотворной способности топлива LCV (Lower Calorific Value). Таким образом, при принятых допущениях индекс EEDI является функцией от характеристик топлива:
EEDI = f (CF /LCV).
Наиболее широко в качестве топлива для судовых двигателей представлено тяжелое топливо HFO. С учетом того, что нормативные требования IMO к эмиссии CO2 ужесточаются на каждом новом этапе, применение топлива HFO на этапах II (2020-2024 гг.) и III (с 2025 г.) без дополнительного громоздкого оборудования и дорогостоящих мероприятий представляется бесперспективным. В настоя- щее время ведущие производители судовых дизельных двигателей адаптировали свою продукцию для работы на метане и других альтернативных видах топлива. Характеристики основных судовых видов топлива представле- ны в табл. 1.
EEDI = KxSFCxCF,
где K = мощность двигателя / DWTЧскорость, кВт/т-миль.
Удельный расход топлива обратно пропорционально зависит от низшей теплотворной способности топлива LCV (Lower Calorific Value). Таким образом, при принятых допущениях индекс EEDI является функцией от характеристик топлива:
EEDI = f (CF /LCV).
Наиболее широко в качестве топлива для судовых двигателей представлено тяжелое топливо HFO. С учетом того, что нормативные требования IMO к эмиссии CO2 ужесточаются на каждом новом этапе, применение топлива HFO на этапах II (2020-2024 гг.) и III (с 2025 г.) без дополнительного громоздкого оборудования и дорогостоящих мероприятий представляется бесперспективным. В настоя- щее время ведущие производители судовых дизельных двигателей адаптировали свою продукцию для работы на метане и других альтернативных видах топлива. Характеристики основных судовых видов топлива представле- ны в табл. 1.
Представляет интерес сопоставление характеристик, влияющих на индекс энергетической эффективности судна, для основного и альтернативных судовых видов топлива. Применение газообразных топлив СУГ (LPG) и СПГ (LNG) позволяет, при прочих равных условиях, снизить индекс EEDI на 15...17 % (пропан, бутан) и 26 % соответственно, по сравнению с использованием HFO.
Табл. 2.
Концентрация оксидов азота в выхлопных газах ГТУ при сжигании природного газа
Концентрация оксидов азота в выхлопных газах ГТУ при сжигании природного газа
При работе двухтопливных малооборотных дизельных двигателей на газообразном топливе около 3... 5 % приходится на запальную дозу жидкого топлива («пилотное» топливо), которым является дизельное топливо. Газообразное топливо подается в двигатель под высоким давлением. Затраты мощности на привод ком- прессорной установки подачи газообразного топлива могут составлять до 2,8...3,0 % мощ- ности двигателя [18]. С учетом этих факторов применение в качестве судового топлива бутана, вместо традиционного HFO, обеспечи- вает снижение индекса EEDI на 13 %, пропа- на — на 15 %, а сжиженного природного газа —на24%.
Несмотря на то что метанол и этанол является топливами с низким содержанием углерода, их применение сдерживает малая низшая теплотворная способность.
Ниже приведено сравнение удельных выбросов СО2 и Н2О при сжигании метанола и метана:
СН3ОН + 1,5 О2 = СО2 + 2 Н2О + 19,9 МДж (тепловой энергии).
При сжигании 1 кг метанола образуется 1,375 кг СО2 и 1,125 кг Н2О и выделяется 19,9 МДж тепловой энергии.
СН4 + 2 О2 = СО2 + 2 Н2О + 50 МДж (тепловой энергии).
При сжигании 1 кг метана образуется 2,75 кг СО2 и 2,25 кг Н2О и выделяется 50 МДж тепловой энергии.
Для получения 50 МДж тепловой энергии потребуется 2,5 кг метанола. Соответственно, при сжигании 2,5 кг метанола образуется 3,45 кг СО2 и 2,82 кг Н2О, что превышает удель- ные выбросы СО2 и Н2О, образующиеся при сжигании метана, на 25 %.
Несмотря на то что метанол и этанол является топливами с низким содержанием углерода, их применение сдерживает малая низшая теплотворная способность.
Ниже приведено сравнение удельных выбросов СО2 и Н2О при сжигании метанола и метана:
СН3ОН + 1,5 О2 = СО2 + 2 Н2О + 19,9 МДж (тепловой энергии).
При сжигании 1 кг метанола образуется 1,375 кг СО2 и 1,125 кг Н2О и выделяется 19,9 МДж тепловой энергии.
СН4 + 2 О2 = СО2 + 2 Н2О + 50 МДж (тепловой энергии).
При сжигании 1 кг метана образуется 2,75 кг СО2 и 2,25 кг Н2О и выделяется 50 МДж тепловой энергии.
Для получения 50 МДж тепловой энергии потребуется 2,5 кг метанола. Соответственно, при сжигании 2,5 кг метанола образуется 3,45 кг СО2 и 2,82 кг Н2О, что превышает удель- ные выбросы СО2 и Н2О, образующиеся при сжигании метана, на 25 %.
Сжигание низкоуглеродных и безуглеродных видов топлива в ГТУ малой мощности
ГТУ малой мощности, которые предлагаются на российский рынок компанией «Импекс- 1», входящей в «Хуасюнь Груп Ру», испытаны на различных видах топлива, включая биогаз, коксовый, фосфорный и цинковый газ, попутный нефтяной газ, мазут, природный газ, смесь метана и водорода, а также смесь водорода и аммиака.
Ниже представлены результаты испытаний ГТУ на смеси метана и водорода, а также на смеси водорода и аммиака.
В табл. 2 приведены значения мощностей ГТУ и концентраций оксидов азота в выхлопных газах при сжигании природного газа.
Камера сгорания предварительного смешения с «сухим» подавлением оксидов азота ГТУ имеют увеличенную длину жаровой трубы, а также увеличенные диаметры отверстий для подвода основного топлива с целью улучшения качества смешения.
При базовой нагрузке ГТУ выбросы NOx, приведенные к концентрации кислорода 15 %, не превышают значений, указанных в табл. 2, а выбросы СО не превышают 10 ppm.
В новой камере сгорания на испытательном стенде при сжигании природного газа достигнута концентрация оксидов азота 9,4 ppm при 15 % содержания О2.
ГТУ малой мощности, которые предлагаются на российский рынок компанией «Импекс- 1», входящей в «Хуасюнь Груп Ру», испытаны на различных видах топлива, включая биогаз, коксовый, фосфорный и цинковый газ, попутный нефтяной газ, мазут, природный газ, смесь метана и водорода, а также смесь водорода и аммиака.
Ниже представлены результаты испытаний ГТУ на смеси метана и водорода, а также на смеси водорода и аммиака.
В табл. 2 приведены значения мощностей ГТУ и концентраций оксидов азота в выхлопных газах при сжигании природного газа.
Камера сгорания предварительного смешения с «сухим» подавлением оксидов азота ГТУ имеют увеличенную длину жаровой трубы, а также увеличенные диаметры отверстий для подвода основного топлива с целью улучшения качества смешения.
При базовой нагрузке ГТУ выбросы NOx, приведенные к концентрации кислорода 15 %, не превышают значений, указанных в табл. 2, а выбросы СО не превышают 10 ppm.
В новой камере сгорания на испытательном стенде при сжигании природного газа достигнута концентрация оксидов азота 9,4 ppm при 15 % содержания О2.
Сжигание смеси природного газа и водорода
В табл. 3 приведено сравнение свойств водорода и метана (природный газ это не чистый метан, там его может быть до 86 %)
В табл. 3 приведено сравнение свойств водорода и метана (природный газ это не чистый метан, там его может быть до 86 %)
Табл. 3.
Сравнение свойств водорода и метана
Сравнение свойств водорода и метана
Характеристики смеси водорода и метана
При увеличении доли водорода в топливной смеси возрастают: скорость пламени, время реакции, время задержки самовоспламенения, толщина ламинарного пламени, адиабатическая температура пламени.
При определенных значениях концентрации водорода в смеси могут произойти: проскок пламени, термоакустические пульсации пламени, самовоспламенение, увеличение выбросов NOx.
При увеличении доли водорода в топливной смеси возрастают: скорость пламени, время реакции, время задержки самовоспламенения, толщина ламинарного пламени, адиабатическая температура пламени.
При определенных значениях концентрации водорода в смеси могут произойти: проскок пламени, термоакустические пульсации пламени, самовоспламенение, увеличение выбросов NOx.
Исследования по сжиганию метано-водородных смесей
В табл. 4 приведены значения оксидов азота (NOx), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и кислорода (О2) в про- цессе сжигания смеси природного газа и водо- рода при долях водорода 40 и 60 % (об.)
В табл. 4 приведены значения оксидов азота (NOx), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и кислорода (О2) в про- цессе сжигания смеси природного газа и водо- рода при долях водорода 40 и 60 % (об.)
Табл. 4.
Значения оксидов азота (NOx), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и кислорода (О2) сжигания смеси природного газа и водорода при долях водорода в смеси 40 и 60 %
Значения оксидов азота (NOx), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и кислорода (О2) сжигания смеси природного газа и водорода при долях водорода в смеси 40 и 60 %
При добавлении водорода к метану увеличивается скорость распространения пламени. Закалка в ступени предварительного смешения приводит к перегреву или даже уничтожению вращения факела.
Закалки можно избежать путем увеличения скорости потока в ступени предварительного смешения и уменьшением коэффициента избытка воздуха.
Подмешивание водорода к метану приводит к расширению фронта пламени и ускорению процесса сжигания. Длина факела уменьшается, и центр выделения тепла смещается вверх по потоку.
Особенности сжигания аммиака
При сжигании аммиака нужно отметить следующие особенности:
Сжигание смеси аммиака и водорода
Еще в 70-х годах прошлого века были попытки сжигания аммиака в ГТУ, но из-за плохих результатов это направление исследований было остановлено.
Недавно, в связи с разработками, связанны- ми с углеродной нейтральностью, эти работы были возобновлены. Интерес к аммиаку в качестве топлива возник потому, что он является носителем водорода.
При добавлении водорода к аммиаку ламинарная скорость распространения пламени возрастает по экспоненте от доли водорода в смеси. Также существенно увеличивается интенсивность горения. Водород решает проблему низкой интенсивности горения и узкого диапазона границ воспламенения газообразного аммиака, уменьшает длину факела и снижает недожог аммиака.
Водород и аммиак в смеси хорошо дополняют друг друга, что сокращает расходы на разработку специализированной камеры сгорания ГТУ.
Закалки можно избежать путем увеличения скорости потока в ступени предварительного смешения и уменьшением коэффициента избытка воздуха.
Подмешивание водорода к метану приводит к расширению фронта пламени и ускорению процесса сжигания. Длина факела уменьшается, и центр выделения тепла смещается вверх по потоку.
Особенности сжигания аммиака
При сжигании аммиака нужно отметить следующие особенности:
- медленное распространение пламени;
- низкая температура сжигания;
- низкая эффективность сжигания, легко тушится, легко хранится и транспортируется;
- плохо горит в воздухе;
- пламинарная скорость распространения пламени намного ниже, чем у обычных топлив; n обычно используются методы диффузионного горения;
- при сжигании аммиака (NH3) образуются топливные NOx, поскольку в аммиаке много азота (N).
Сжигание смеси аммиака и водорода
Еще в 70-х годах прошлого века были попытки сжигания аммиака в ГТУ, но из-за плохих результатов это направление исследований было остановлено.
Недавно, в связи с разработками, связанны- ми с углеродной нейтральностью, эти работы были возобновлены. Интерес к аммиаку в качестве топлива возник потому, что он является носителем водорода.
При добавлении водорода к аммиаку ламинарная скорость распространения пламени возрастает по экспоненте от доли водорода в смеси. Также существенно увеличивается интенсивность горения. Водород решает проблему низкой интенсивности горения и узкого диапазона границ воспламенения газообразного аммиака, уменьшает длину факела и снижает недожог аммиака.
Водород и аммиак в смеси хорошо дополняют друг друга, что сокращает расходы на разработку специализированной камеры сгорания ГТУ.
В табл. 5 приведены значения объемной и массовой теплоты сгорания природного газа, водорода, аммиака и смеси водорода и аммиака.
Скорость распространения пламени смеси 35 % NH3 и 65% Н2 на 10...20% выше, чем скорость распространения пламени природного газа.
Скорость распространения пламени смеси 35 % NH3 и 65% Н2 на 10...20% выше, чем скорость распространения пламени природного газа.
Табл. 5.
Значения объемной и массовой теплоты сгорания природного газа, водорода, аммиака
и смеси водорода и аммиака
Значения объемной и массовой теплоты сгорания природного газа, водорода, аммиака
и смеси водорода и аммиака
При одинаковом коэффициенте избытка воздуха адиабатическая температура пламени смеси 35% NH3 и 65% Н2 на 150К выше, чем адиабатическая температура пламени природного газа.
При таком соотношении водорода и аммиака достигается низкая интенсивность горения, а срыв пламени и неполное сгорание топлива — маловероятны.
Основные технические характеристики ГТУ приведены в табл. 6.
При таком соотношении водорода и аммиака достигается низкая интенсивность горения, а срыв пламени и неполное сгорание топлива — маловероятны.
Основные технические характеристики ГТУ приведены в табл. 6.
Табл. 6.
Основные технические характеристики ГТУ
Основные технические характеристики ГТУ
Выводы
Анализ приведенных выше результатов показывает, что в контексте программы по снижению выбросов в атмосферу парниковых газов век генераторных установок на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установок (ГТУ) не закончен.
Требуется проведение интенсивных исследований по сжиганию низкоуглеродных и без-углеродных видов топлива в ДВС и ГТУ.
Требуется проведение интенсивных исследований по сжиганию низкоуглеродных и без-углеродных видов топлива в ДВС и ГТУ.
Список использованных источников
1. Karagцz Y., Gьler İ., Sandalcı T., Yьksek L., Dalkılıз A.S., Wongwises S. Effects of hydrogen and methane addition on combus- tion characteristics, emissions, and performance of a CI engine // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Т. 41. No 2. – C. 1313-1325.
2. Navid A., Ghadamkheir K., Hasche A., Zareei J., Krause H., Eckart S. Combustion analysis of methane-hydrogen port injection
combined with OMEn/Diesel spray injection in an RCCI engine // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Т. 54. – C. 1319- 1328.
3. Di Iorio S., Sementa P., Vaglieco B.M. Analysis of combustion of methane and hydro- gen-methane blends in small DI SI (direct injection spark ignition) engine using advanced diagnostics // Energy. 2016. Т. 108. – C. 99- 107.
4. Di Iorio S., Sementa P., Vaglieco B.M. Experimental investigation on the combustion process in a spark ignition optically accessible engine fueled with methane/hydrogen blends // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Т. 39. No 18. – C. 9809-9823.
5. Yoon W., Park J. Parametric study on combustion characteristics of virtual HCCI engine fueled with methane—hydrogen blends under low load conditions // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Т. 44. No 29. – C. 15511-15522.
6. Catapano F., Di Iorio S., Magno A., Sementa P., Vaglieco B.M. A comprehensive analysis of the effect of ethanol, methane and methane-hydrogen blend on the combustion process in a PFI (port fuel injection) engine // Energy. 2015. Т. 88. – C. 101-110.
7. Dawood F., Anda M., Shafiullah G.M. Hydrogen production for energy: An overview // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Т. 45. No 7. – C. 3847-3869.
8. Chiesa P., Lozza G., Mazzocchi L. Using Hydrogen as Gas Turbine Fuel // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2005. Т. 127. No 1. – C. 73-80.
9. Juste G.L. Hydrogen injection as addi- tional fuel in gas turbine combustor. Evaluation of effects // International Journal of Hydrogen Energy. 2006. Т. 31. No 14. – C. 2112-2121.
10. Taamallah S., Vogiatzaki K., Alzahrani F.M., Mokheimer E.M.A., Habib M.A., Ghoniem A.F. Fuel flexibility, stability and emis- sions in premixed hydrogen-rich gas turbine combustion: Technology, fundamentals, and numerical simulations // Applied Energy. 2015. Т. 154. – C. 1020-1047.
11. Nemitallah M.A., Haque M.A., Hussain M., Abdelhafez A., Habib M.A. Stratified and Hydrogen Combustion Techniques for Higher Turndown and Lower Emissions in Gas Kroniger D., Wirsum M., Horikawa A., Okada K., Kazari M. NOx Correlation for an Industrial 10 MW Non-Premixed Gas Turbine Combustor for High Hydrogen Fuels. 2016.
12. Park S., Choi G., Tanahashi M. Combustion characteristics of syngas on scaled gas turbine combustor in pressurized condition: Pressure, H2/CO ratio, and N2 dilution of fuel // Fuel Processing Technology. 2018. Т. 175. – C. 104-112.
13. Koз Y., Yağlı H., Gцrgьlь A., Koз A. Analysing the performance, fuel cost and emis- sion parameters of the 50 MW simple and recu- perative gas turbine cycles using natural gas and hydrogen as fuel // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Т. 45. No 41. – C. 22138-22147.
14. BP Energy Outlook: 2019 edition. Available at: (https://www.bp.com/con- tent/dam/bp/businesssites/en/global/cor- porate/pdfs/energyeconomics/energy-out- look/bp-energy-outlook2019.pdf (accessed 01.04.2019)
15. UNCTAD/RMT/2017. Available at: https://unctad.org/en/PublicationsLibrary/r mt201 7_en.pdf (accessed 01.04.2019).
16. IMO Train the Trainer (TTT) Course on Energy Efficient Ship Operation. Module 2 — Ship Energy Efficiency Regulations and Related Guidelines. 2016. Available at: http://www.imo.org/en/OurWork/Environ ment/PollutionPrevention/AirPollution/Pages /IMOTrain-the-Trainer-Course.aspx (accessed 01.04.2019)
17. LNG Carriers with ME-GI Engine and — High Pressure Gas Supply System. MAN Diesel & Turbo. 5510-0026-04ppr Sep 2014. — Available at: https://marine.mandieselturbo.com/docs/libr aries provider6/technical-papers/lng-carriers- withhigh-pressure-gas-supply- system.pdf?sfvrsn=16 (accessed 01.04.2019).
18. Poran A, Tartakovsky L. Energy effi- ciency of a direct injection internal combustion engine with high-pressure methanol steam reforming. Energy, 2015; Vol. 88, pp. 506-514.
2. Navid A., Ghadamkheir K., Hasche A., Zareei J., Krause H., Eckart S. Combustion analysis of methane-hydrogen port injection
combined with OMEn/Diesel spray injection in an RCCI engine // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Т. 54. – C. 1319- 1328.
3. Di Iorio S., Sementa P., Vaglieco B.M. Analysis of combustion of methane and hydro- gen-methane blends in small DI SI (direct injection spark ignition) engine using advanced diagnostics // Energy. 2016. Т. 108. – C. 99- 107.
4. Di Iorio S., Sementa P., Vaglieco B.M. Experimental investigation on the combustion process in a spark ignition optically accessible engine fueled with methane/hydrogen blends // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Т. 39. No 18. – C. 9809-9823.
5. Yoon W., Park J. Parametric study on combustion characteristics of virtual HCCI engine fueled with methane—hydrogen blends under low load conditions // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Т. 44. No 29. – C. 15511-15522.
6. Catapano F., Di Iorio S., Magno A., Sementa P., Vaglieco B.M. A comprehensive analysis of the effect of ethanol, methane and methane-hydrogen blend on the combustion process in a PFI (port fuel injection) engine // Energy. 2015. Т. 88. – C. 101-110.
7. Dawood F., Anda M., Shafiullah G.M. Hydrogen production for energy: An overview // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Т. 45. No 7. – C. 3847-3869.
8. Chiesa P., Lozza G., Mazzocchi L. Using Hydrogen as Gas Turbine Fuel // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2005. Т. 127. No 1. – C. 73-80.
9. Juste G.L. Hydrogen injection as addi- tional fuel in gas turbine combustor. Evaluation of effects // International Journal of Hydrogen Energy. 2006. Т. 31. No 14. – C. 2112-2121.
10. Taamallah S., Vogiatzaki K., Alzahrani F.M., Mokheimer E.M.A., Habib M.A., Ghoniem A.F. Fuel flexibility, stability and emis- sions in premixed hydrogen-rich gas turbine combustion: Technology, fundamentals, and numerical simulations // Applied Energy. 2015. Т. 154. – C. 1020-1047.
11. Nemitallah M.A., Haque M.A., Hussain M., Abdelhafez A., Habib M.A. Stratified and Hydrogen Combustion Techniques for Higher Turndown and Lower Emissions in Gas Kroniger D., Wirsum M., Horikawa A., Okada K., Kazari M. NOx Correlation for an Industrial 10 MW Non-Premixed Gas Turbine Combustor for High Hydrogen Fuels. 2016.
12. Park S., Choi G., Tanahashi M. Combustion characteristics of syngas on scaled gas turbine combustor in pressurized condition: Pressure, H2/CO ratio, and N2 dilution of fuel // Fuel Processing Technology. 2018. Т. 175. – C. 104-112.
13. Koз Y., Yağlı H., Gцrgьlь A., Koз A. Analysing the performance, fuel cost and emis- sion parameters of the 50 MW simple and recu- perative gas turbine cycles using natural gas and hydrogen as fuel // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Т. 45. No 41. – C. 22138-22147.
14. BP Energy Outlook: 2019 edition. Available at: (https://www.bp.com/con- tent/dam/bp/businesssites/en/global/cor- porate/pdfs/energyeconomics/energy-out- look/bp-energy-outlook2019.pdf (accessed 01.04.2019)
15. UNCTAD/RMT/2017. Available at: https://unctad.org/en/PublicationsLibrary/r mt201 7_en.pdf (accessed 01.04.2019).
16. IMO Train the Trainer (TTT) Course on Energy Efficient Ship Operation. Module 2 — Ship Energy Efficiency Regulations and Related Guidelines. 2016. Available at: http://www.imo.org/en/OurWork/Environ ment/PollutionPrevention/AirPollution/Pages /IMOTrain-the-Trainer-Course.aspx (accessed 01.04.2019)
17. LNG Carriers with ME-GI Engine and — High Pressure Gas Supply System. MAN Diesel & Turbo. 5510-0026-04ppr Sep 2014. — Available at: https://marine.mandieselturbo.com/docs/libr aries provider6/technical-papers/lng-carriers- withhigh-pressure-gas-supply- system.pdf?sfvrsn=16 (accessed 01.04.2019).
18. Poran A, Tartakovsky L. Energy effi- ciency of a direct injection internal combustion engine with high-pressure methanol steam reforming. Energy, 2015; Vol. 88, pp. 506-514.
www.turbine-diesel.ru /март-апрель 2024