Теоретическое исследование образования вредных веществ при сжигании метано-водородных смесей

Прохоров Сергей Григорьевич
Prokhorov S. G.
Юр Алексей Андреевич
Yur A. A.
Пензенский государственный
Penza State University
университет архитектуры
of Architecture and Construction,
и строительства, г. Пенза, Россия
Penza, Russia
______________________________________________________________
УДК 662.769+504.06
ББК 31.354
DOI 10.58841/9785835618293_152
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ
МЕТАНО-ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ
В ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВКАХ
Д.В. Столяров, Т.И. Королева, О.П. Сидельникова
THEORETICAL STUDY OF THE FORMATION OF HARMFUL
SUBSTANCES DURING THE COMBUSTION OF METHANEHYDROGEN FUEL MIXTURES IN HEAT GENERATING PLANTS
D.V. Stolyarov, T.I. Koroleva, O.P. Sidelnikova
Аннотация. В статье рассматриваются физико-химические механизмы образования монооксида углерода, оксидов азота, несгораемых остаточных углеводородов и сажи при сжигании метано-водородных топливных смесей переменного состава с воздухом в диффузионных горелочных
устройствах теплогенерирующих установок. Представлены результаты
CFD-моделирования процесса горения метано-водородных топливных
смесей с воздухом.
Ключевые слова: топливные смеси, CFD-моделирование, образование вредных веществ, сжигание газообразных топлив, теплогенерирующие
установки.
Abstract. The article discusses the physico-chemical mechanisms of the
formation of carbon monoxide, nitrogen oxides, incombustible residual hydrocarbons and soot during the combustion of methane-hydrogen fuel mixtures of
variable composition with air in diffusion burners of heat generating plants. The
results of CFD modeling of the combustion process of methane-hydrogen fuel
mixtures with air are presented.
152
Keywords: fuel mixtures, CFD modeling, formation of harmful substances, combustion of gaseous fuels, heat generating plants.
Реализация положений II этапа Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 г. [1] предполагает переход к энергетике нового поколения, с опорой на высокоэффективное использование традиционных и новых углеводородных источников энергии, а также развитие водородной энергетики. С этой целью обеспечивается применение помимо новых видов топлив еще и смесей традиционных видов углеводородных топлив с отходами технологических процессов нефтегазохимического и угольного производства. Исполь-зование смесей традиционных
видов углеводородных топлив с производственными отходами, ранее
сбрасываемыми в атмосферу, позволит, с одной стороны, обеспечить существенную экономию энергетических ресурсов, относящихся к традиционным видам углеводородных топлив, сократить количество выбрасываемых в атмосферу отходов нефтегазохимического и угольного производства. С другой стороны, физико-химические свойства получаемой топливной смеси, а также характеристики процесса ее сгорания значительно отличаются от традиционного углеводородного топлива. Этой проблеме посвящена данная работа.
В настоящей работе в качестве смесей традиционных видов углеводородных топлив с отходами технологических процессов нефтегазохимического и угольного производства рассматриваются метано-водородные
топливные смеси переменного состава, т.е. смеси природного газа со
сбросным водородсодержащим газом, характеризующиеся существенной
нестабильностью компонентного состава получаемой топливной смеси [2].
При сжигании метано-водородных топливных смесей в камерах сгорания топочных устройств теплогенерирующих установок наиболее вероятным является образование следующих вредных веществ: монооксид углерода (CO); несгораемые остаточные углеводороды (CxHy); оксиды азота,
обозначаемые как NOx, поскольку при сжигании органических топлив
азот, содержащийся в воздухе и в топливе, по мере возрастания температуры, становясь все более реакционно-способным и соединяясь с кислородом, в зависимости от условий протекания химических реакций в газовой
среде способен образовывать оксиды: NOx = NO + NO2 + N2O [3]; твердые
частицы, преимущественно состоящие из углерода (сажа); водяной конденсат.
Монооксид углерода (CO) образуется в ходе протекания химической
реакции неполного сгорания метана, т.е. в том случае, когда в топливовоздушной смеси, поступающей на вход горелочного устройства теплогене153
рирующей установки, концентрация кислорода (O2) является недостаточной для полного сгорания единицы массы (объема) метана. В этом случае
брутто-уравнение реакции неполного сгорания метана в воздухе можно
представить в следующем виде:
(1)
2CH 4 +3O 2 +11.28N 2  2CO+4H 2O+11.28N 2 .
Таким образом, образование монооксида углерода протекает в случае,
если коэффициент избытка окислителя   1 , следовательно, фактические
отношения воздух/топливо для метано-воздушной топливной смеси ниже
стехиометрических соотношений: Lof  17.24; LVf  9.66; LMf  9.5 , т.е. метано-воздушная топливная смесь является богатой. Данный механизм образования монооксида углерода является основным при сгорании метановоздушных топливных смесей [4].
Оксиды азота (NOx) образуются в высокотемпературных областях камеры сгорания топочного устройства теплоэнергетической установки при
сжигании метано-водородных топливных смесей с воздухом, в результате
протекания химической окисления атмосферного азота кислородом. Многочисленными экспериментальными исследованиями, результаты выполнения которых представлены, например, в работе [5], показано, что массовую долю 95%...100% выбросов оксидов азота составляют выбросы монооксида азота (NO). Диоксид азота (NO2) и оксид азота (I) (N2O) образуются
в значительно меньших концентрациях.
Основным физико-химическим механизмом образования NOx при
сжигании метано-водородных топливных смесей с воздухом является термический механизм, предложенный Я.Б. Зельдовичем, П.Я. Садовниковым
и Д.А. Франк-Каменецким [6]. Указанный процесс описывается суммарной реакцией по следующей схеме:
(2)
N 2 +O 2 
 2NO - 180 (кДж/моль) .
Я.Б. Зельдовичем разработана схема цепной реакции образования
термических оксидов азота, представленная в работе [7]. Эта схема позднее была дополнена реакцией атомарного азота с гидроксид-ионом, предложенная в работе [8]:
(3)
N+OH 
 NO+H .
Элементарная реакция, протекающая по схеме (3), является наиболее
характерной при сгорании водородо-воздушной топливной смеси, поскольку при протекании реакции горения водорода в воздухе в газовой фазе имеет место равновесная реакция, характеризующая термическую
устойчивость гидроксид-иона:
(4)
OH   OH+e  .
154
Несгораемые остаточные углеводороды (CxHy) и твердые частицы,
преимущественно состоящие из углерода (сажа), образуются как в высокотемпературных, так и в низкотемпературных областях камеры сгорания
топочного устройства теплоэнергетической установки при сжигании метано-водородных топливных смесей с воздухом, в результате химической
неполноты их сгорания, только в случае, если коэффициент избытка окислителя   1 . Это связано с недостаточной концентрацией кислорода в
смеси для полного окисления CxHy до CO2 и H2O соответственно, а C до
CO2.
Образование сажи при сгорании богатой метано-воздушной топливной смеси протекает главным образом по механизму, предложенному в
работе [9]. Данный механизм включает следующие промежуточные стадии:
(5)
CH 4  C 2 H 2  C 6 H 6  C 20 H 12  C .
Склонность легких углеводородов, в т.ч. и метана, к сажеобразованию
при сгорании зависит от отношения массовой доли углерода к массовой
доле водорода в молекуле вещества (  С/ H ). При  С/ H  0 процесс
образования сажи протекает наименее интенсивно. Для метана (CH4) отношение массовой доли углерода к массовой доле водорода составляет:
СCH / H CH  3 , что характеризует сравнительно высокую склонность к
сажеобразованию.
Для описания процесса и характеристик турбулентного диффузионного горения метано-водородных топливных смесей с воздухом в настоящей работе применяется подход, основанный на решении осредненной по
Рейнольдсу системы уравнений Навье-Стокса. Для оценки средних скоростей химических реакций используется статистический подход, основанный на предписанной функции плотности вероятности распределения
температуры, массовых долей компонентов горючей смеси и их энтальпии, т.н. «классическая модель ФПВ–flamelet». Для описания турбулентного течения газовой смеси в работе используется модель переноса касательных напряжений Ментера (MSST), являющаяся комбинацией моделей
турбулентности k-ε и k-ω [10, 11].
В настоящей работе геометрические размеры расчетной области рассматриваемой задачи, а также граничные условия для областей введения
метано-водородной топливной смеси и окислителя в зону горения выбраны аналогично таковым, представленным в работе [12]. Компонентный состав сбросного водородсодержащего газа принят на основе данных, представленных в таблице 2 этой же работы. Результаты CFD-моделирования
процесса горения метано-водородной топливной смеси с воздухом показаны на рисунках 1 – 2.
155
4
4
Рис. 1. График распределения линий тока компонентов горючей смеси,
фронта горения, длины и диаметра факела пламени
На рис. 1 (1) показаны результаты численного моделирования процесса горения сбросного водородсодержащего газа С1 при   1 ; на рис. 1 (2) –
сбросного водородсодержащего газа С1 при   0.85,   0.15 ; на рис. 1
(3) – сбросного водородсодержащего газа С1 при   1.05 ; на рис. 1 (4) –
метана при   1 .
Рис. 2. График распределения поля массовых долей монооксида углерода
и монооксида азота при горении сбросного
водородсодержащего газа С1(  1 )
На рис. 2 (1) показано распределение поля массовых долей монооксида углерода; на рис. 2 (2) показано распределение поля массовых долей
монооксида азота.
Как следует из рисунка 1, длина и диаметр осесимметричного факела
пламени при сгорании сбросного водородсодержащего газа в горелочном
устройстве имеют сравнительно большие значения, чем при сгорании ме156
тана, что согласуется с результатами моделирования формы факела пламени при сжигании забалластированной топливной смеси, выполненного
по упрощенной методике в работе [12]. При установлении стационарного
режима горения стехиометрической горючей смеси водородсодержащего
газа с воздухом максимальная массовая концентрация монооксида углерода в камере сгорания оказывается равной: C( m ) CO max  730 (мг/м3), а максимальная массовая концентрация монооксида азота – C( m ) NO max  130 (мг/м3).
Сравнительно высокая концентрация монооксида азота в объеме газовой
среды камеры сгорания обусловлена сравнительно высокими значениями
статических температур пламени и газовой среды в камере при сгорании
метано-водородной топливной смеси с воздухом – среднеобъемная абсолютная температура газовой среды в камере сгорания составляет
Tг .с.  1324 (К), а максимальная температура пламени составляет
Tпл .max  2351 (К). Поскольку температура пламени Tпл  1500 (ºС), а также в
реагирующей газовой смеси присутствуют молекулы свободного (не прореагировавшего с молекулами горючего вещества) кислорода, что характерно для метано-водородной топливной смеси с воздухом, близкой к стехиометрической, т.е.   1 , то образование монооксида азота протекает в
данном случае преимущественно по термическому механизму.
Представленные в настоящем исследовании элементы расчетной области задачи являются упрощенной геометрической моделью диффузионных горелочных устройств серий ГРЦ и УГ, широко применяемых в промышленных, бытовых энергетических и водогрейных газовых котлоагрегатах.
Библиографический список
1. Распоряжение Правительства РФ от 09.06.2020 N 1523-р (ред. от
28.02.2024) «Об утверждении Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года».
2. Водородосодержащий газ. – URL: https://neftegaz.ru/tech-library/
energoresursy-toplivo/748633-vodorodsoderzhashchiy-gaz/?ysclid=lzd86xaaga132953595.
3. Юсеф В.М., Сыченков В. А., Давыдов Н.В. Исследование малоэмиссионной камеры сгорания // Вестник РГАТУ имени П.А. Соловьева. –
2018. – С. 25-30.
4. Щукин В.А. Образование токсичных веществ в авиационных двигателях и методы их снижения. – Казань: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2018. –
252 с.
157
5. Прохоров, В.Б. Исследование трансформации оксидов азота в
г. Москве // Сб. научных трудов / В.Б. Прохоров, Н.Д. Рогалев, А.А. Беккер, С.В. Сафронов. – М.: МЭИ, 1991. – № 632. – С. 21-29.
6. Достияров А.М., Жолдыбаева Б.М. Механизмы образования оксидов азота при сжигании газообразного топлива // Глобус: технические
науки. – 2019. – №3 (27).
7. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. – М.: Наука, 1947. – 146 с.
8. Lavoie, G. A. / Combustion and Flame. – 1970. – 97 р.
9. Шишаев С.В. Оценка склонности топлив к сажеобразованию и
дымлению при горении. Новый лабораторный метод // Химия и технология топлив и масел. – 2002. – № 3. – С. 50–52.
10. Edwards J.R., Boles J.A., Baurle R.A. Large-eddy/Reynolds-averaged
Navier–Stokes simulation of a supersonic reacting wall jet // Combustion and
Flame. 2012. Vol. 159. № 3. P. 1127–1138.
11. Menter F.R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Application // AIAA Jour. 1994. Vol. 32(8). P. 1598-1605.
12. Лебедева Е.А. Проблемы сжигания топливных смесей переменного состава // Современные наукоемкие технологии. – 2019. – № 3-1. –
С. 48-53.
Столяров
Даниил Владимирович
Королева
Тамара Ивановна
Пензенский государственный
университет архитектуры
и строительства,
г. Пенза, Россия
Сидельникова
Ольга Петровна
Волгоградский государственный
технический университет,
г. Волгоград, Россия
Stolyarov D.V.
Koroleva T.I.
Penza State University
of Architecture and Construction,
Penza, Russia
Sidelnikova O. P.
Volgograd State Technical
University, Volgograd, Russia
158