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 19-19-00327

НазваниеРазработка и оптимизация технологии термохимической регенерации теплоты продуктов сгорания органического топлива: экспериментальное и численное исследование

РуководительПащенко Дмитрий Иванович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет", Самарская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35).

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

Ключевые словаприродный газ, углеводороды, энергоэффективность, термохимическая регенерация, численная модель, алгоритм, эксперимент, пористая среда, конверсия, горение

Код ГРНТИ44.00.00

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Среди способов совершенствования эффективности использования топлива в установках различного назначения (теплотехнологические, теплоэнергетические и др.) можно выделить два основных направления. Первое -- рациональное использование традиционного топлива за счет совершенствования топливно-технологических циклов. Второе -- замена исходного топлива альтернативными топливно-энергетическими ресурсами. Одним из направлений повышения эффективности указанных установок, которое удовлетворяет указанным выше двум направлениями, является термохимическая рекуперация теплоты отходящих дымовых газов. Сущность термохимической рекуперации теплоты заключается в полезном использовании их физического тепла для предварительной эндотермической переработки исходного топлива, которое при этом получает больший запас химически связанного тепла, выраженного в виде возросшей теплоты сгорания (в пересчёте на единицу массы исходного топлива). Это дополнительно связанное тепло затем реализуется в камере сгорания теплотехнологической или теплоэнергетической установки, снижая удельное потребление первичного топлива. В ходе выполнения работ по гранту РНФ 19-19-00327 было произведено многостороннее исследование систем термохимической регенерации теплоты за счет эндотермической трансформации исходного топлива. Однако, в современной энергетике наметился устойчивый тренд на переход к низкоуглеродному (например, обогащенный водородом природный газ) и безуглеродному (например, аммиак) топливу. Поэтому представляет интерес исследование термохимической регенерации теплоты при использовании низкоуглеродных и безуглеродных топлив. Для этого в ходе реализации проекта будет выполнен термодинамический анализ термохимической регенерации теплоты за счет эндотермической трансформации безуглеродных топлив (аммиак, жидкие органические носители водорода (liquid organic hydrogen carriers -- LOHC) различного состава). Также будет произведен термодинамический анализ теплоэнергетических и теплотехнологических установок с термохимической регенерацией теплоты, в частности, предлагается выполнить термодинамический анализ цикла промышленной печи с термохимической регенерацией теплоты и глубокой утилизации теплоты продуктов сгорания, а также выполнить термодинамический анализ газотурбинной установки с термохимической регенерацией теплоты (chemically recuperated gas turbine -- CRGT) (здесь особый интерес представляет исследование циклов газотурбинной установки с термохимической регенерацией за счет эндотермических реакций конверсии безуглеродных топлив, т.к. в 2021-й году ведущие мировые производители газовых турбин (Mitsubishi, Siemens, Alstom) заявили о разработке безуглеродных газотурбинных установок малой и средней мощности). Исследование систем термохимической регенерации теплоты направлено в первую очередь на повышение энергетической эффективности теплоэнергетических и теплотехнологических установок. Однако с учетом общемировой тенденции, направленной на переход к низкоугдеродной и безуглеродной энергетике, научные проблемы, решенные при исследовании термохимической регенерации теплоты, найдут широкое применение в мировой энергетике. В частности, системы термохимической регенерации теплоты могут быть рассмотрены как бортовые системы производства водорода (on-board hydrogen production). Такие системы производства водорода рассматриваются ведущими мировыми экспертами как переходный этап к водородной энергетике. Кроме того, в мировой энергетике наметился очевидный тренд в сторону водородной энергетики, где основною роль играет топливный водород. Однако основным способом производства водорода по-прежнему остается паровая конверсия углеводородов. В рамках продолжения работ по гранту планируется получение новых моделей процессов тепломассообмена, протекающих при паровой конверсии метана, что позволит значительно упростить расчет систем термохимической регенерации теплоты, а также установок по производству водорода малой и средней мощности за счет эндотермической трансформации исходных водородсодержащих топлив (углеводороды, аммиак, LOHC). Имплементация этих моделей в программном продукте OpenFOAM (открытый код) позволит значительно упростить и ускорить расчеты процессов тепломассообмена при CFD-моделировании эндотермических процессов трансформации топлива. Будет предложен новый код для платформы OpenFOAM v. 7 для решателя reactingFoam по расчету паровой конверсии метана. Одной из отличительных особенностей систем термохимической регенерации теплоты является производство и использование (сжигание) нового (синтетического) топлива в технологическом цикле. Такое синтетическое топливо представляет собой обогащенный водородом газ. Поэтому вопросы изучения калориметрических и эмиссионных характеристик горения синтетических топлив (обогащенных водородом) топлив являются крайне актуальными. Предполагается выполнить исследования горения методом лазерно-индуцированной флуоресценции (C-LIF, OH-LIF), являющимся одним из самых мощных методов экспериментальной диагностики процессов горения на LIF-установке от компании Dantec Dynamics. Кроме того, с учетом тенденций перехода мировой энергетики к безуглеродным и низкоуглеродным (например, обогащенный водородом природный газ) топливам, планируется проведение исследований по горению таких топлив.

Ожидаемые результаты
В результате проведения исследований по заявляемой теме, будут получены следующие научные результаты, в частности: -- новая модель процессов тепломассообмена, протекающих в термохимических реакторах систем термохимической регенерации теплоты; -- новый код на платформе OpenFOAM v. 7 для решателя reactingFoam по расчету паровой конверсии метана, основанный на имплементации новой модели процессов тепломассообмена; -- новый алгоритм численного моделирования процессов тепломассообмена при протекании эндотермических процессов конверсии на основе сопряженного численного решения уравнений Навье-Стокса, записанных в виде завихренность-функция тока, и уравнений химической кинетики эндотермических процессов для снижения затрат вычислительной мощности для CFD-моделирования процессов тепло- и массообмена при протекании эндотермических процессов; -- массив экспериментальных данных по кинетическим и эмиссионных характеристикам процесса горения синтетического топлива различного состава, в т.ч. безуглеродного. Для получения экспериментальных данных будет использован метод лазерно-индуцированной флуоресценции (C-LIF, OH-LIF technique), который является одним из самых мощных методов экспериментальной диагностики процессов горения. Основываясь на физике взаимодействия между светом и различными молекулами, LIF позволяет проводить селективные измерения с высокой чувствительностью. С помощью LIF-метода будет возможно проводить измерения концентраций второстепенных компонентов горения и контуров их распределения по зоне горения; -- численная модель горения синтетических топлив, реализованная в ANSYS Fluent (коммерческая лицензия) и OpenFOAM (открытый код) с детальной химической кинетикой (GRM3.0) на базе модуля Chemkin-Pro; -- зависимость эффективности систем термохимической рекуперации теплоты от технологических параметров (температура, давление, соотношение «пар/продукты сгорания») для безуглеродных топлив и жидких носителей водорода; -- показатели эффективности теплоэнергетических и теплотехнологических установок с термохимической регенерацией теплоты, в частности, предлагается выполнить термодинамический анализ цикла промышленной печи с термохимической регенерацией теплоты и глубокой утилизацией теплоты продуктов сгорания, а также выполнить термодинамический анализ газотурбинной установки с термохимической регенерацией теплоты (chemically recuperated gas turbine -- CRGT) (здесь особый интерес представляет исследование циклов газотурбинной установки с термохимической регенерацией за счет эндотермических реакций конверсии безуглеродных топлив, т.к. в 2021-й году ведущие мировые производители газовых турбин (Mitsubishi, Siemens, Alstom) заявили о разработке безуглеродных газотурбинных установок малой и средней мощности).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---