КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-79-10205

НазваниеМеханизмы снижения вредных выбросов в энергетических установках за счет использования водорода и метано-водородных видов топлива

РуководительМатвеев Сергей Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева", Самарская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2025

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-403 - Водородная энергетика

Ключевые словаВозобновляемые источники энергии, оксиды азота, процессы горения, химическая кинетика, турбулентность, природный газ, водород, квантово-химические расчеты, эмиссия, энергоэффективность

Код ГРНТИ44.31.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Распоряжением Правительства Российской Федерации от 12 октября 2020 г. № 2634-р утвержден план мероприятий («дорожная карта») по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года, направленный на увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, а также вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту. В России задача по развитию водородной энергетики закреплена в ключевом отраслевом документе стратегического планирования – актуализированной Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года. В соответствии с «дорожной картой» к 2024 году предусмотрена реализация ряда пилотных проектов в области водородной энергетики, одним из которых является разработка, изготовление и проведение испытаний газовых турбин на метано-водородном топливе. В настоящее время, в мире существует множество различных программ по декарбонизации или переходу на водородное топливо. Согласно докладу Bloomberg «Перспективы водородной экономики», к 2050 году 24% мировых потребностей в энергии будет покрывать водород, а его цена снизится до уровня сегодняшних цен на газ. По одному из сценариев интеграции водородных технологий в энергокомплекс США, водород к 2040 году станет вторым после электроэнергии всеобщим энергоносителем. При этом потребность в первичной энергии угля, газа и нефти упадет на 73%, 34% и 18% соответственно, а доля возобновляемых источников энергии возрастет в 4-5 раз. Все это показывает актуальность исследований в области применения водорода, а также метано-водородных смесей в качестве топлива для газовых турбин, наземного транспорта и авиационных двигателей. Горение водорода и метано-водородных смесей отличается высокой скоростью распространения пламени и более высоким тепловыделением относительно горения метанового топлива. Все это приводит к возрастанию температуры во фронте пламени и скорости его распространения, что приведет к повышенным выбросам оксидов азота NOx и может привести к прогару элементов двигателя. Для решения проблем, связанных с высокими выбросами оксидов азота, необходимо понимать механизмы их образования на фундаментальном уровне, а именно уточнять кинетические суб-механизмы образования NOx и соответствующие константы скорости химических реакций, включать их в кинетические модели горения метано-водородных и водородных топливо-воздушных смесей. Также необходимо проверять полученные механизмы на собственных экспериментах по определению нормальной скорости распространения пламени и концентраций оксидов азота в продуктах сгорания. В связи с этим, в рамках проекта планируется решить актуальные в настоящее время вышеизложенные задачи.

Ожидаемые результаты
1. Валидированный детальный кинетический механизм горения традиционных и альтернативных видов топлива, включающих суб-механизмы образования вредных веществ, в том числе NOx. Редуцированные механизмы горения традиционных и альтернативных видов топлива с определенными границами применимости. В ходе выполнения работы будут разрабатываться кинетические механизмы различной степени детализации, обладающие высокой предсказательной способностью, позволяющей описывать химические превращения традиционных и альтернативных топлив. Элементарные химические реакции, составляющие детальные механизмы будут взяты из последних экспериментальных данных и квантово-химических расчётов, проведённых на основе первых принципов (ab initio). Применение в работе квантово-химических расчётов поможет выявить значимые пути химических превращений, уточнить соответствующие суб-механизмы и их скорости реакций. Механизмы будут валидированы на основе новых экспериментальных данных, базирующихся на определении нормальной скорости распространения пламени, а также данных по времени задержки воспламенения различных топливовоздушных смесей, полученных в лучших лабораториях мира. Для применения кинетических механизмов в CFD расчётах, в том числе при использовании подхода LES, будут предложены редуцированные механизмы. Квантово-химические расчеты будут проводится в программах Gaussian, MESS и Molpro, используемых для высокоточных расчетов и признанных в мировом научном сообществе. 2. Новые данные ламинарной скорости распространения пламени топливовоздушных смесей, включающих: метан, природный газ, с добавками водорода. Экспериментально полученные зависимости ламинарной скорости распространения пламени в зависимости от температуры и состава смеси при горении различных традиционных и альтернативных видов топлива могут быть использованы для валидации разрабатываемых детальных и редуцированных кинетических моделей. Также полученные зависимости могут быть использованы при CFD моделировании для более качественного описания положения и величину фронта пламени. Экспериментальные зависимости нормальной скорости распространения пламени будут получены на установке использующей метод "Heat Flux", который является наиболее точным в настоящее время и признанным в мировом научном сообществе, что подтверждается статьями (Q1) ведущих научных мировых школ занимающихся процессами горения. Данная установка является единственной в РФ, во всем мире насчитывается около 10 таких установок. 3. Способы снижения эмиссии вредных веществ на основе фундаментальных исследования путей их образования. Международной организацией гражданской авиации (ICAO) установлены нормы на ограничение эмиссии оксидов азота (NOX), оксидов углерода (СО), несгоревших углеводородов (CXHY) и дыма. При этом планируется последовательное ужесточение принятых норм, в том числе по выбросам NOX к 2030 г. – на 60% (по отношению к нормам 2008 года). Исходя из этого в рамках проекта будут рассмотрены пути образования оксидов азота, и предложены механизмы к их снижению. 4. Новые закономерности и экспериментальные данные о процессах горения для широкого диапазона режимов горения традиционных и альтернативных видов топлива. Новые экспериментальные данные могут быть использованы для валидации методов численного моделирования процессов горения и образования вредных веществ. Также будет модифицирован прибор для измерения концентрации NO2, работающий на основе метода поглощения лазерного излучения. Доработанное устройство запатентовано и показывает высокую степень достоверности результатов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения этапа проекта было проведено расчетно-экспериментальное исследование нормальной скорости распространения пламени метановоздушной смеси, обогащённой водородом и/или разбавленной паром при атмосферном давлении и начальной температуре смеси 300 и 330 К. Определение нормальной скорости распространения пламени производилось методом нулевого теплового потока (Heat Flux). Скорость распространения пламени метана, обогащённого водородом, определялась при атмосферном давлении и T=300 К в диапазоне изменения коэффициента избытка топлива ϕ = 0,7-1,4. Объёмная доля водорода в топливе составляла 0,25 и 0,35. Добавка водорода до 35% по объёму увеличивает скорость пламени на 35%, что улучшает стабилизацию пламени. Однако, при этом происходит повышение температуры во фронте пламени, а в следствии чего и повышение NOx. Для уменьшения выбросов NOx, топливовоздушную смесь разбавляют водяным паром. Скорость пламени метана, разбавленного водяным паром, измерялась при атмосферном давлении, ϕ = 1 и температурах T=300 и T=330 K. Объёмная доля водяного пара в ТВС изменялась в пределах 0…2,3% при T=300 К и 0…1,1% при T=330 К. Диапазон был ограничен величиной давления насыщенного водяного пара при данных температурах. Пламя метана, одновременно разбавленного парами воды и обогащенного водородом, исследовалось в диапазоне ϕ = 0,7-1,4 при температуре T=330 К. Объемная доля водяного пара в суммарном потоке изменялась в пределах 0-15%. Объёмная доля водорода в топливе составляла 35%. С увеличением концентрации пара наблюдалось линейное снижение скорости пламени метановоздушной смеси. Динамика снижения скорости пламени при разбавлении водяным паром не зависит от степени обогащения водородом. Добавка 15% водяного пара в метановоздушную смесь, обогащённую водородом, приводит к снижению нормальной скорости распространения пламени стехиометрических смесей в два раза. Предложены рекомендации по использованию кинетических механизмов для моделирования пламени метановоздушной смеси при её обогащении водородом и разбавлении водяным паром. Полученные экспериментальные данные сравнивались с прогнозами трех кинетических моделей. В целом, все модели показывают хорошую сходимость с экспериментальными данными, поэтому любая из них может быть использована для описания горения метановоздушных смесей, обогащённых водородом и разбавленных водяным паром. Наиболее точные результаты были достигнуты при использовании модели NuigMech. В тоже время, при небольшой потере в точности, можно использовать модель Wang, которая ввиду меньшей детализации позволит проводить более быстрые вычисления, что является значимым при моделировании в программах CFD. Также в рамках этапа были проанализированы 20 кинетических моделей горения, составлена база кинетических моделей горения метана, обогащенного водородом. Модели Aramco, А. Коннова 2018, а также механизмы FFCM 1.0 и CaltechMech могут быть успешно применены для моделирования горения метановодородных топливных смесей, однако для прогнозирования концентраций оксидов азота эти модели должны быть расширены, что планируется выполнить на следующем этапе проекта. При реализации этапа проекта были получены зависимости концентраций оксидов азота в продуктах сгорания от доли добавки водорода в топливо были получены на экспериментальной установке HeatFlux. Пламя модельной горелки имеет вид плоского стабилизированного диска. Газовый анализ осуществлялся проточным газоанализатором MGA5plus, с измерительной системой на основе ИК сенсоров повышенной точности и стабильности. Погрешность экспериментального определения концентраций оценивается в +/- 2 ppm. Разрешение проводимых измерений составляет 0,1 ppm. Для оценки эффективности анализатора и его настройки был воспроизведён эксперимент Coppens [35] и проведены измерения для других составов. Содержание водорода в топливе варьировалось от 0% до 35%. Концентрации оксидов азота измерены на фиксированном расстоянии от плиты горелки (10,15,20мм). Коэффициент избытка топлива ϕ = 0,7…1.5. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными других авторов. В бедном пламени обогащение водородом мало влияет на NO, в то время как в богатом пламени концентрация оксида азота значительно снижаются. Новое измерительное оборудование - газоанализатор MGA5plus хорошо воспроизводит опубликованные измерения с использованием хемилюсцентного анализатора. Работа предоставляет новые значения для валидации кинетических моделей и подтверждает ранее опубликованные данные. Также в ходе выполнения этапа проекта на модельной одногорелочной камере сгорания, были определены режимы срыва и проскока пламени при различном содержании водорода в предварительно подготовленной метановодородной смеси. Полученные экспериментальные данные использованы для верификации методики численного определения режимов устойчивого горения, которая задействует вычисления нормальной скорости распространения пламени и данные выбранной кинетической модели. Представленная в работе методика в сочетании с моделью Wang с удовлетворительной точностью предсказывает границы срыва (расхождения до 20%) и проскока пламени (расхождение до 10%) вверх по потоку, и может использоваться для определения границ устойчивой работы газотурбинных установок при их переводе на водородосодержащие топлива. На другой модельной камере сгорания были проведены расчетно-экспериментальное исследование концентраций продуктов сгорания и эмиссии вредных веществ при горении предварительно подготовленных метановодородных смесей. Горелочное устройство камеры сгорания использовалось в двух компоновках — с кварцевым насадком и жаровой трубой. В компоновке с кварцевой трубой проводилась фото и видеофиксация на камеру Nikon D5300 для определения границ бедного срыва пламени. Содержание вредных веществ CО2, NОx и т. д. определялось путем отбора проб с последующим анализом в компоновке горелочного устройства с жаровой трубой. Отбор проб для определения состава продуктов сгорания осуществлялся с помощью интегрального охлаждаемого пробоотборника и мобильного высокоточного газового анализатора MGA5plus, достоверность показаний которого, были определены в рамках решения второй задачи проекта. Газодинамический расчет выполнен в трехмерной постановке в программе ANSYS Fluent с использованием RSM модели турбулентности и FGM модели горения, настроенной с применением кинетического механизма Wang . Дополнительно выполнено кинетическое моделирование в ANSYS Fluent c помощью модели Wang в подходе сетей химических реакторов RNM (Reactor network model, он же CRN - chemical reactor network). Используемая кинетическая модель показала хорошее качественное и количественное согласование расчетных и экспериментальных данных по основным продуктам сгорания, а также качественное согласование по эмиссии вредных веществ. Таким образом, использованные модели могут быть использованы для анализа эмиссионных характеристик разрабатываемых камер сгорания газотурбинных установок, предназначенных для работы на водородосодержащих смесях.

Публикации

1. Lokachari N., Матвеев С.С., Коннов А.А. и др. A comprehensive experimental and kinetic modeling study of di-isobutylene isomers: Part 2 Elsevier, Combustion and flame 251, (2023) 112542 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2022.112547

2. Анисимов В.М., Анисимов М.Ю., Гураков Н.И., Коломзаров О.В., Литарова А.А., Матвеев С.С., Матвеев С.С., Попов А.Д., Идрисов Д.В. Effect of Hydrogen Addition on the Thermal State of the Flame Tube AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2023)

3. Гураков Н.И, Коломзаров О.В., Идрисов Д.В., Попов А.Д., Литарова А.А., Семенихин А.С Кузнецова А.А., Матвеев С.С Stability Limits of the Methane-Hydrogen Mixture Combustion Allerton Press, Inc., Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2023, Vol. 50, No. 4, pp. 150–157. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3103/S1068335623040061

4. Гураков Н.И., Коломзаров О.В., Идрисов Д.В., Новичкова С.С., Эмирова Л.Ш., Абрашкин В.Ю., Матвеев С.С., Матвеев С.Г., Фокин Н.И., Симин Н.О., Ивановский А.А., Тарасов Д.С. Numerical and experimental study of the combustion of methane-hydrogen mixtures in a model combustion chamber of a Gas-Turbine Power Plant Combustion, Explosion and Shock Waves, - (год публикации - 2023)

5. Гураков Н.И., Коломзаров О.В., Якушкин Д.В., Анисимов В.М., Матвеев С.С., Матвеев С.Г., Новичкова С.С. SIMULATION OF CO EMISSION IN THE COMBUSTION CHAMBER OF A SMALL-SIZED GAS TURBINE ENGINE Общество с ограниченной ответственностью "ТОРУС ПРЕСС" (Москва), Статья в сборнике статей по итогам форума: НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ: ПЛАЗМА, ГОРЕНИЕ, АТМОСФЕРА, стр 185-187. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.30826/NEPCAP10A-57

6. - В Самаре создали первую горелку для газотурбинных установок, работающую на водороде ТАСС. Наука, - (год публикации - )

7. - Горелку для газотурбинных установок, работающую на водороде, создали в Самаре Поиск, - (год публикации - )

8. - В Самарском университете им. Королева разработали горелочное устройство для газотурбинных установок, работающее на чистом водороде ВолгаНьюс, - (год публикации - )

9. - В Самаре создали первую горелку для газотурбинных установок, работающую на водороде РНФ Новости, - (год публикации - )

10. - Ученые Самарского университета им. Королёва разработали первое в России горелочное устройство для ГТУ, работающее на чистом водороде Самарский университет. Новости, - (год публикации - )