Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖИГАНИЯ СМЕШАННОГО И СИНТЕТИЧЕСКОГО ТОПЛИВА В ПРОТИВОТОЧНОМ ГОРЕЛОЧНОМ УСТРОЙСТВЕ

Авторы:
Город:
Рыбинск
ВУЗ:
Дата:
25 марта 2017г.

Совершенствование процессов сгорания топлива в камерах сгорания ГТУ, привело к созданию большого количества различных горелочных устройств, использующих закрутку потока. В работах [1 – 8] приведены исследования показывающие, что применение особенностей диафрагмированных ограниченных закрученных течений позволяет увеличить время пребывания топливовоздушной смеси в зоне высокой температуры и повысить устойчивость горения в «бедной» области по составу смеси за счет организации в проточной части горелочных устройств газодинамического противотока вихрей, а так же развитых крупномасштабных рециркуляционных течений. Сложность и многофакторность отмеченных процессов определяет актуальность дальнейших исследований горения в противотоке с использованием смешанных топлив, перспективных для развивающихся энергетических технологий. Основы фундаментальных и прикладных аспектов интенсификации горения с использованием особенностей вихревых противоточных течений изложены в работах [1, 4, 6].

Одним из перспективных вариантов конструкции горелочных модулей является противоточный горелочный модуль, схема которого представлена на рис. 1.

Ужесточение норм на эмиссию NОх, СxHy и СО энергоустановками определяют актуальность разработки экологически чистых камер сгорания на синтетическом топливе.

Практика перевода устройств горения на альтернативные виды топлива, в том числе синтез-газ, получаемый одним из методов термического разложения газообразных углеводородов показывает, что на сегодняшний день существуют две основные концепции организации рабочего процесса камеры сгорания.


Одна из них подразумевает создание пилотного пламени реагирующей смеси синтез-газа с воздухом, выполняющего функцию стабилизации горения обедненной предварительно перемешанной топливовоздушной смеси. Вторая концепция подразумевает полную замену всех горелочных модулей предварительного смешения, применяемых в DLN-камерах сгорания на модули-генераторы синтез-газа. При этом отмеченной схеме присущи все недостатки предыдущей, связанные с проскоком пламени и низкой энергетической эффективностью установки, но она позволяет обеспечить достижение ультранизкой эмиссии оксидов азота при высокой полноте сгорания топлива. Переход на новый принцип организации горения в камере сгорания газотурбинной установки, лишенный большинства недостатков схем бедного горения, в том числе и с использованием синтез-газа, возможен на основе противоточной газодинамической схемы организации смешения и горения в камере. Это требует разработки горелочных модулей камер сгорания ГТД, работающих на топливных смесях метана с синтез-газом в «ультрабедной» области по составу смеси, с низкой эмиссией загрязняющих атмосферу веществ NOx, CO, CxHу.

Интегральные эффекты влияния добавок синтез-газа к метану на эмиссионные  характеристики горения в противоточной камере сгорания приведены на рис. 4. Видно, что перевод камеры сгорания на синтез-газ (рис. 2, кривая 3) сопровождается двукратным снижением эмиссии NOx во всем концентрационном диапазоне устойчивого горения, относительно  горения метана (рис.  2, кривая 1). Поскольку устойчивое горение синтез-газа наблюдается в более широком диапазоне по коэффициенту избытка воздуха. На рис. 2 значение NOx при горении синтез-газа ограничены α = 5, поскольку при дальнейшем «обеднении» смеси до границы срыва пламени значение NOx находится в нуле как и в представленном диапазоне по коэффициенту избытка воздуха от 1,57 до 5.

Объемная добавка синтез-газа в количестве 15% позволяет сократить эмиссию NOx при горении в условиях противотока в 1,5 раза относительно горения метана во всём диапазоне по коэффициенту избытка воздуха. Это подтверждает целесообразность применения топливных смесей метана с синтез-газом для снижения эмиссии оксидов азота в перспективных камерах сгорания газотурбинных двигателей, работающих на синтетических топливах.


Рис. 2. Зависимость относительной концентрации NOx в продуктах сгорания от коэффициента избытка воздуха: 1 – при сжигании чистого метана; 2 – при сжигании смеси (метан и синтез-газ) с объемной долей добавки синтез-газа равной 15%; при сжигании чистого синтез-газа.  

Результаты, приведённые на рис. 3, характеризуют зависимость CO и СxHy для метана (кривые 1,2) и синтез-газа (кривые 3,4) во всём диапазоне режимов устойчивого горения по коэффициенту избытка воздуха.



Рис. 3. Зависимость относительной концентрации вредных веществ в продуктах сгорания от коэффициента избытка воздуха: 1 – концентрация СxHy при сжигании чистого метана; 2 – концентрация CO при сжигании чистого метана; 3 – концентрация CO при сжигании чистого синтез-газа; 4 – концентрация СxHy при сжигании чистого синтез-газа.

Перевод камеры сгорания с метана  на синтез-газ сопровождается существенным  уменьшением концентрации CO и СxHy. В диапазоне по α от 0,15 до 1 горение метана сопровождается уменьшением эмиссии СxHy (кривая 1) от 9 500 ppm до 85 000 ppm, в то время как при горении синтез-газа концентрация несгоревших           углеводородов           уменьшается           от           1 230 ppm           до           2 ppm. При α равном 0,15 концентрация несгоревших углеводородов в продуктах сгорания синтез-газа в воздухе в 7,7 раз меньше соответствующей концентрации при горении метана. В случае стехиометрического горения, при α = 1,02, концентрация несгоревших углеводородов в продуктах сгорания синтез-газа по сравнению со сжиганием метана, уменьшается в 42 раза.

Если сравнивать концентрацию монооксида углерода, отношение СО(СН4) / СО(с.г.)   составляет 3,75 при α равном 0,15 и СО(СН4) / СО(с.г.) равном 2,3 при α = 1,02. При горении синтез-газа в области «ультрабедных» составов смеси 5 < α < 18 наблюдается значительное увеличение концентрации СО и СxHy, при этом в диапазоне α от 5 до 7 функция СxHy = f(α) растёт монотонно, при α = 7 резко меняется её тангенс угла наклона и начинается лавинообразный рост концентрации несгоревших углеводородов при дальнейшем «обеднении» смеси и приближении к границе «бедного» срыва пламени.

В количественном выражении концентрация СxHy (кривая 3, рис. 5) растёт от 1 250 до 11 750 ppm. Это    говорит о     том,   что   в области ультрабедных» смесей горение углеводородов практически прекращается, а тепло экзотермической реакции, обеспечивающее устойчивость горения, выделяется при окислении водорода, входящего в состав синтез- газа.  Аналогичным   образом  в  «ультрабедной»    области    ведёт   себя   функция    СОс.г. = f(α). Отличие заключается в том, что резкое изменение тангенса угла наклона функции, характеризующее «остановку» реакции окисления СО до СО2 происходит при α ≈ 13.

Перевод противоточной камеры сгорания на синтез-газ позволяет сократить выбросы углеводородов, монооксидов углерода, оксидов азота во всем диапазоне избытка воздуха.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №16-08-00974 «Развитие модельного описания тепломассообменных процессов в закрученных ограниченных течениях и его применение при создании устройств перспективных технологий».

 

Список литературы

 

1.        Бирюк В. В., Веретенников С. В., Гурьянов А. И., Пиралишвили Ш. А. Вихревой эффект. Технические приложения. Том 2 (Часть 1). М.: Научтехлитиздат, 2014. 288 с.

2.        Гурьянов А. И. Экспериментальное и теоретическое исследование механизмов горения в ограниченном закрученном потоке / А. И. Гурьянов, Ш. А. Пиралишвили // Тепловые процессы в технике. – 2009. – Т.1-№5. – С. 170 – 177.

3.        Гурьянов А. И. Вихревые горелочные устройства / А. И. Гурьянов, О. В. Казанцева, М. В. Медведева, Ш. А. Пиралишвили // Инженерный журнал. – 2005. – №5. – прил. – С. 8 – 15.

4.        Пиралишвили Ш. А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Ш. А. Пиралишвили, В. М. Поляев, М. Н. Сергеев; под ред. Леонтьева А. И. – М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. – 412 с.

5.        Пиралишвили Ш. А. Вихревые горелки с противотоком / Ш. А. Пиралишвили, А. И. Гурьянов // Конверсия в машиностроении – Conversion in machine building of Russia. – 2008. – № 1. – С. 11 – 16.

6.        Пиралишвили Ш. А., Веретенников С. В. Вихревой эффект и интенсификация процессов тепло и массообмена в элементах энергетической техники // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королёва (национального исследовательского университета), 2011. №3-1 (27). С 241-247.

7.        Piralishvili Sh. A. Development and investigation of a vortex burner / Sh. A. Piralishvili, A. I. Gurianov, F. Ali // Nonequilibrium Processes. Vol. 1. Combustion and Detonation. Edited by G. D. Roy, S. M. Frolov, A.   M. Starik. – Moscow: Torus Press Ltd., 2005. – Р. 132 – 139.

8.        Gur’yanov A. I., Evdokimov O.A., Piralishvili Sh.A., Veretennikov S.V., Kirichenko R.E., Ievlev D.G. Analysis of the gas turbine engine combustion chamber conversion to associated petroleum gas and oil // Russian Aeronautics (Iz. VUZ). – New York: Allerton Press Inc., 2015. – №2. – Vol. 58. – P. 205-209.