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

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 проекта 22-79-10205

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

Руководитель Матвеев 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

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 слова Возобновляемые 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.30826/NEPCAP10A-57

2. 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)

3. 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)
10.1016/j.combustflame.2022.112547

4. 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)
10.3103/S1068335623040061

5. 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)

6. Идрисов Д.В., Матвеев С.С., Гураков Н.И., Литарова А.А., Коломзаров О.В., Савченкова А.С., Попов А.Д. Расчетно-экспериментальное определение границ проскока пламени при использовании метано-водородного топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей и энергетических установок Физика горения и взрыва (год публикации - 2024)

7. Гураков Н.И., Коломзаров О.В., Абрашкин В.Ю., Матвеев С.С., Матвеев С.Г., Фокин Н.И., Тарасов Д.С. Расчётно-экспериментальное исследование образования NOx при горении водорода в модельной камере сгорания с кластерным микрофакельным горелочным устройством Физика горения и взрыва (год публикации - 2024)

8. Идрисов Д.В., Матвеев С.С., Гураков Н.И., Литарова А.А., Коломзаров О.В., Савченкова А.С., Попов А.Д. Calculational and experimental determination of methane-hydrogen flame flashback limits in combustion chambers of gas-turbine engines and power plants COMBUSTION, EXPLOSION, AND SHOCK WAVES (год публикации - 2024)

9. Гураков Н.И., Коломзаров О.В., Абрашкин В.Ю., Матвеев С.С., Матвеев С.Г., Фокин Н.И., Тарасов Д.С. Computational and experimental study of NOx formation during hydrogen combustion in a model combustion chamber with a cluster microflame burner device COMBUSTION, EXPLOSION, AND SHOCK WAVES (год публикации - 2024)

10. Матвеев С.С., Гураков Н.И., Идрисов Д.В., Лукачев С.В., Азязов В.Н. Lean Blowout Limits in Combustion Chambers during Lean CH4‒H2‒Air Mixture Burning Pleiades Publishing, Bulletin of the Lebedev Physics InstituteТом 51, Выпуск 10, Страницы 403 - 409 October 2024 (год публикации - 2024)
10.3103/S1068335624600980

11. Идрисов Д.В., Матвеев С.С., Матвеев С.Г., Гураков Н.И., Попов А.Д., Литарова А.А. ИССЛЕДОВАНИЕ НОРМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ МЕТАНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ПРИ ЕЁ ОБОГАЩЕНИИ ВОДОРОДОМ И РАЗБАВЛЕНИИ ВОДЯНЫМ ПАРОМ ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва» (Самарский университет), Московское шоссе, 34, 443086, г. Самара, Российская Федерация., Динамика и виброакустика, Т.9, No4, 2023 (год публикации - 2023)
10.18287/2409-4579-2023-9-4-52-63

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Разработка расширенного механизма горения газообразных топлив и его редуцирование для использования в CFD расчётах. Для всестороннего исследования процессов горения, в результате анализа кинетических данных и редуцирования передовых моделей, получены новые модели: - Модифицированная скелетная модель Wang с новыми блоками тримолекулярных реакций, успешно использованная для расчета скорости пламени и эмиссии оксидов азота. - Редуцированная модель NUIG 1.3, которая также была дополнена данными для учета межмолекулярных взаимодействий. Это относительно простая скелетная модель, включающая результаты кинетических исследований последних лет. - Редуцированная модель А. Коннова для метиловых эфиров. Крупная и высоко детализированная модель из которой были исключены малозначимые вещества и реакции для повышения производительности вычислений. 2. Расчетно-экспериментальное исследование характеристик турбулентности и горения традиционных и альтернативных видов топлива, в том числе с закруткой потока, на модельных установках. Определение границ применимости существующих моделей горения для различных режимов турбулентного горения. Проведено расчетное исследование влияния начальной температуры, давления, состава топлива и коэффициента избытка воздуха на процесс горение и образования вредных веществ в модельной камере сгорания с разработанным горелочным устройством. Получены границы применимости математической модели горения метано-водородной смеси, которые будут верифицированы на основе собственных экспериментальных исследований. 3. Разработка и изготовление опытного образца малоразмерной камеры сгорания, работающей на топливе с высоким содержанием водорода. Проведение экспериментов, подтверждающих работоспособность камеры сгорания. Разработано и изготовлено горелочное устройство, которое прошло экспериментальные испытания и подтвердило свою работоспособность. При испытаниях в модельной камере сгорания были получены низкие выбросы вредных веществ. На основе проведенных экспериментов была верифицирована математическая модель горения метано-водородных смесей. Сравнение расчётных и экспериментальных данных по значениям концентрации CO2 демонстрируют количественное и качественное согласование с средним отклонением, не превышающим 5%, и в отдельных случаях - не превышающем 10 %. При сравнении расчётных и экспериментальных значениях эмиссии NO, получено хорошее качественное согласование, поэтому используемый термический механизм определения NOx может быть также использован для определения тенденций изменения концентраций окислов азота при горении метан-водородных смесей. Концентрация монооксида углерода уменьшается в несколько раз при увеличении αкс, что подтверждается расчётными и экспериментальными данными. При увеличении доли водорода в топливе концентрация CO в эксперименте несущественно изменяется, за исключением точки соответствующей доле водорода 50%. При расчёте концентрация CO изменяется в диапазоне от 15 до 20 ppm, тогда как в эксперименте на уровне 10-15 ppm. 4. Методика перевода камер сгорания газотурбинных установок на топлива с высокой долей содержания водорода, для снижения уровня вредных выбросов и углеродного следа. В рамках исследования, была разработана и обобщена методика перевода камер сгорания газотурбинных установок на работу на топливе с высоким содержанием водорода, которая была апробирована на собственных, многоуровневых экспериментах. Методика позволяет оценить потенциал возможности добавки водорода в топливо для камер сгорания газотурбинных установок, а именно какую долю водорода можно использовать в топливе не меняя конструкцию камеры сгорания (только за счет изменения режима работы); внося незначительные изменения (доработка блока горелочных устройств, перераспределния закона подвода воздуха); замена форсуночного блока и других элементов камеры сгорания. 5. Рукопись диссертационной работы на соискание степени доктора технических наук руководителя проекта. В рамках проведенных исследований и обобщения результатов, полученных за 3 года проекта подготовлена монография под названием «Применение водорода в качестве топлива для газотурбинных установок» (выпуск монографии планируется в июле-августе 2025 года.), основная часть которой войдет в рукопись диссертации соискание степени доктора технических наук руководителя проекта. Вторая часть рукописи будет посвящена переводу газотурбинных двигателей гражданской авиации на смешанный цикл работы двигателя «водород-керосин».

Публикации

Возможность практического использования результатов
Практические использование полученного задела позволит в краткий сроки производить перевод существующих газотурбинных установок на метано-водородное топливо с минимальными вложениями конструкции ГТУ.