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

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.