КИНЕТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ГОРЕНИЯ ПОЛУЧАЕМОГО ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИЕЙ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ СИНТЕЗ-ГАЗА

  • В. Е. Мессерле Институт проблем горения
  • Э. Ф. Осадчая Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. аль-Фараби
  • Н. А. Славинская Институт технологии горения, Германский аэрокосмический центр,
  • А. Б. Устименко Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. аль-Фараби
Ключевые слова: плазма, синтез-газ, кинетика, топлива, газификация

Аннотация

В работе представлены схема получения синтез-газа плазменной газификацией твердых топлив и подробный анализ существующей литературы по горению синтез-газа (СО+Н2). Проанализированы и систематизированы основные известные кинетические механизмы окисления синтез-газа. Подобраны экспериментальные данные, использованные для их тестирования и найдены параметры применимости этих механизмов. Найдены и проанализированы экспериментальные данные по задержке воспламенения, скорости распространения пламени и концентрациям компонентов системы H2/CO/О2. Для этих данных проведена оптимизация кинетических параметров основных реакций механизма окисления синтез-газа. Модифицированные значения констант скоростей реакций остались при этом в пределах заданного интервала погрешности. Результирующий кинетический механизм горения синтез-газа находится в хорошем соответствии со всеми принятыми к рассмотрению исходными данными. Найденый кинетический механизм окисления синтез-газа позволит обеспечить требуемую эффективность его сжигания и оптимальную конструкцию горелочных устройств и возможность создания новых технологических процессов, включая контроль условий эксплуатации газотурбинных, газопоршневых и паротурбинных установок, а также загрязнения окружающей среды. Используемая модель включает механизм химических превращений топлива, связанный с уравнениями тепло- и массопереноса и предусматривает использование кинетической модели горения синтез-газа, которая надежно воспроизводит тепловыделение и воспламенение газа.

Литература

1 Key World Energy Statistics. Interna-tional Energy Agency, 2012. 80 p. (www.iea.org)
2 V.E. Messerle, A.B. Ustimenko. Solid Fuel Plasma Gasification. Advanced Combustion and Aerothermal Technologies, N.Syred and A.Khalatov (eds.), Springer, 2007, P.141-156.
3 Ф.Ч. Локвуд, В.Е. Мессерле, К.А. Ум-беткалиев, А.Б. Устименко. Плазменная газифи-кация высокозольных энергетических углей. Го-рение и плазмохимия, 2008, том 6, №1, С.50-55
4 В.Е. Мессерле, А.Б. Устименко. Плазмохимические технологии переработки топ-лив. Известия вузов. Химия и химическая техно-логия, 2012. Т. 55, Вып. 4. С. 30-34.
5 V.E. Messerle, A.B. Ustimenko, N.A. Slavinskaya, U. Riedel. Influence of coal rank on the process of plasma aided gasification. ASME Turbo Expo 2012, Bella Center, Copenhagen, Denmark, June 11-15, 2012. Final program P. 39. Proceedings N. GT2012-68701, P.1-10
6 Т. А. Большова, А. Г. Шмаков, С. А. Якимов, Д. А. Князьков, О. П. Коробейничев. Cокращенный кинетический механизм горения синтез-газа при повышенных температурах и высоком давлении. Физика горения и взрыва, 2012. N 5. C. 109-121.
7 А. М. Старик, Н. С. Титова, А. С. Ша-рипов. Детальные кинетические модели окисле-ния водорода и синтез-газа в воздухе. Неравно-весные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения. Под ред. А. М. Старика. Москва: Торус-Пресс, 2011. С. 25–52.
8 А. М. Старик, Н. С. Титова, А. С. Ша-рипов. Теоретический анализ кинетики реакций в смесях CO–H2–O2 с участием электронно-возбужденных молекул O2. Неравновесные фи-зико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения. Под ред. А. М. Старика. Москва: Торус-Пресс, 2011. - С. 160–177.
9 R. A. Yetter, F. L. Dryer, H. Rabitz. A Comprehensive Reaction Mrchanism for Carbon Monoxide/Hydroge/Oxygen Kinetics. Combust. Sci. and Techn., 1991. Vol.79, N 1. P. 97-128.
10 K.J. Hughes, T. Turanyi, A.R. Clague, M.J. Pilling. Development and Testing of a Com-prehensive Chemical Mechanism for the Oxidation of Methane. Int. J. Chem. Kinet., 2001. Vol. 33. P. 513-538.
11 I.Gy. Zsély, J. Zádor, T. Turányi. Uncer-tainty analysis of updated hydrogen and carbon monoxide oxidation mechanisms. Proc. Combust. Inst. 2005. Vol. 30, pp. 1273-1281.
12 S. G. Davis, A. V. Joshi, H. Wang, F. Egolfopoulos, An optimized kinetic model of H2/CO combustion. Proc. Combust. Inst., 2005. Vol. 30. pp. 1283-1292.
13 P. Saxena, F. A. Williams, Testing a small detailed chemical-kinetic mechanism for the combustion of hydrogen and carbon monoxide. Combust. Flame, 2006. Vol.145, pp. 316–323.
14 M.V. Petrova, F.A. Williams, A small detailed chemical-kinetic mechanism for hydrocar-bon combustion. Combust. Flame, 2006. Vol. 144, pp. 526-544.
15 Li J. Zhao, Z.W. Kazakov, A. Chaos, M. Dryer, F.L. Scire. A comprehensive kinetic mecha-nism for CO, CH2O and CH3OH combustion. Int. J. Chem. Kinet., 2007. Vol.39, pp.109-136.
16 M. Chaos, F.L. Dryer. Syngas Combus-tion Kinetics and Applications. Combustion Science and Technology, 2008Vol. 180, pp.1053–1096.
17 H.Sun, S. I.Yang, G.Jomaas, C. K. Law, High-pressure laminar flame speeds and kinetic modeling of carbon monoxide/hydrogen combus-tion. Proc. Combust. Inst., 2007. Vol. 31, pp. 439-446.
18 A. Frassoldati, T. Faravelli, E. Ranzi. The ignition, combustion and flame structure of car-bon monoxide/hydrogen mixtures. Note 1: Detailed kinetic modeling of syngas combustion also in pres-ence of nitrogen compounds. International Journal of Hydrogen Energy, 2007. Vol.32, pp. 3471 – 3485.
19 T.Le Cong, P. Dagaut. Experimental and Detailed Kinetic Modeling of the Oxidation of Methane and Methane/Syngas Mixtures and Effect of Carbon Dioxide Addition, Comb. Sci. and Tech-nology, 2008. Vol.180, No 10, pp.2046 -2091.
20 A.M. Dean, D.C. Steiner, E.E. Wang. A shock tube study of the H2/O2/CO/Ar and H2/N2O/CO/Ar Systems: Measurement of the rate constant for H + N2O = N2 + OH. Combust. Flame, 1978. Vol.32, pp. 73–83.
21 R.A. Yetter, H. Rabitz, F.L. Dryer. Flow Reactor Studies of Carbon Monoxide/ Hydro-gen/Oxygen Kinetics. Combust. Sci. Technol., 1991. Vol.79, pp. 129-140.
22 A. M. Arustamyan, I. K. Shakhnazaryan, A. G. Philpossyan, A. B. Nalbandyan. The kinetics and the mechanism of the oxidation of carbon mon-oxide in the presence of hydrogen. Int. J. Chem. Ki-net., 1980. N 12, pp.55-75.
23 M.G.P. Smith, et al. GRI-Mech 3.0. http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/>, 2000.
24 I. C. McLean, D. B. Smith, S. C. Taylor. The use of carbon monoxide/hydrogen burning ve-locities to examine the rate of the CO+OH reaction. Proc. Comb. Inst., 1994. Vol.25, pp. 749–757.
25 C.M. Vagelopoulos, F.N. Egolfopoulos. Laminar flame speeds and extinction strain rates of mixtures of carbon monoxide with hydrogen, meth-ane, and air. Proc. Comb. Inst., 1994. Vol.25, pp. 1317–1323.
26 T. J. Kim, R. A. Yetter, F. L. Dryer, New results on moist CO oxidation: high pressure, high temperature experiments and comprehensive kinetic modeling. Proc. Combust. Inst., 1994. Vol.25, pp. 759–766.
27 B. Lewis, G. von Elbe. Combustion, Flames, and Explosions of Gases, third ed., Aca-demic Press, New York, 1987, 398 p.
28 W. C. Gardiner jr., M. McFarland, K. Morinaga, T. Takeyama, B. F. Walker. Ignition de-lays in H2-O2-CO-Ar mixtures. J. Phys. Chem., 1971. Vol.75, pp. 1504-1509.
29 Y.Huang, C. J.Sung, J. A. Eng, Laminar flame speeds of primary reference fuels and re-former gas mixtures. Combust Flame, 2004. Vol.139, pp. 239-251.
30 M. A. Mueller, R. A. Yetter, F. L. Dryer. Flow reactor studies and kinetic modeling of the H2/O2/NOX and CO/H2O/O2/NOX reactions. Int. J. Chem. Kinet., 1999, Vol.31, pp. 705-724.
31 G.C.J. Mittal, Sung, R.A. Yetter. Autoignition of H₂/CO at elevated pressures in a rapid compression machine. Int. J. Chem. Kinet., 2006. Vol.38, pp. 516-529.
32 R. Sivaramakrishnan, A. Comandini, R. S. Tranter, K. Brezinsky, S. G. Davis, H. Wang. Combustion of CO/H2 mixtures at elevated pres-sures. Proc. Combust. Inst., 2007, Vol.31, pp. 429–437.
33 M.U. Alzueta, R. Bilbao, P. Glarborg. Inhibition and sensitization of fuel oxidation by SO2. Combust Flame, 2001. Vol.127, pp. 2234-2251.
34 T. Hasegawa, M. Sato. Study of Ammo-nia Removal from Coal-Gasified Fuel. Combust Flame, 1998. Vol.114, pp. 246-258.
35 S.M. Walton, X. He, B.T. Zigler, M.S. Wooldridge. An experimental investigation of the ignition properties of hydrogen and carbon monox-ide mixtures for syngas turbine applications. Proc. Combust. Instit., 2007. Vol.31, pp. 3147-3154.
36 M. P. Burke, X. Qin, Y. Ju, F. L. Dryer. Measurements of Hydrogen Syngas Flame Speeds at Elevated Pressures. Proceedings of the Fifth US Combustion Meeting, San Diego, CA, 2007, Mar. 25–28, Paper No. A16.
37 C. G. Fotache,Y. Tan, C. J. Sung, C. K. Law, Ignition of CO/H2/N2 versus heated air in counterflow: experimental and modeling results. Comb. and Flame, 2000. Vol.120, pp. 417–426.
38 G.B. Skinner, G.H. Ringrose. Ignition delays of a hydrogen-oxygen-argon mixture at rela-tively low temperature. J. Chem. Phys., 1965. Vol.42, pp. 2190–2192.
39 G.L. Schott, J.L. Kinsey. Induction times in the hydrogen-oxygen reaction. J. Chem. Phys., 1958. Vol.29 (5), pp. 1177–1182.
40 F.N. Egolfopoulos, C.K. Law, An ex-perimental and computational study of the burning rates of ultra-lean to moderately-rich H2/O2/N2 laminar flames with pressure variations. Proc. Comb. Inst., 1991. Vol.23. pp. 333–340.
41 C.M. Vagelopoulos, F.N. Egolfopoulos, C.K. Law. Further considerations on the determina-tion of laminar flame speeds with the counterflow twin-flame technique. Proc. Comb. Inst., 1994. Vol.25, pp. 1341–1347.
42 V.P. Karpov, A.N. Lipatnikov, P. Wolanski. Finding the markstein number using the measurements of expanding spherical laminar flames. Combust. Flame, 1997. Vol.109 (3), pp. 436–448.
43 D. M. Kalitan, E. L. Petersen. Ignition and Oxidation of Lean CO/H2 Fuel Blends in Air. AIAA Paper 2005-3767, 41st AIAA/ASME/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July 10-13, 2005, Tucson, AZ.
44 E. Ranzi, A. Sogaro, P. Gaffuri, G. Pen-nati, T. Faravelli. A Wide Range Modeling Study of Methane Oxidation. Combust Sci Tech, 1994. Vol.96 (4–6), pp. 279–325.
45 P. Dagaut, F. Lecomte, J. Mieritz, P. Glarborg. Experimental and kinetic modeling study of the effect of NO and SO₂ on the oxidation of CO H₂ mixtures. Int. J. Chem. Kinet., 2003. Vol.35, pp. 564-575.
46 P. Glarborg, D. Kubel, K. Dam-Johansen, H. Chiang, J.W. Bozzelli. Impact of SO2 and NO on CO oxidation under post-flame conditions Int J Chem Kinet, 1996. Vol.28, pp. 773-790.
47 M.I. Hassan, K.T. Aung, G.M. Faeth. Properties of Laminar Premixed CO/H/Air Flames at Various Pressures. Journal of Propulsion and Power, 1997. Vol.13 (2), pp. 239-245.
48 J. Vandooren, P.J. Van Tiggelen, J.-F. Pauwels. Experimental and modeling studies of a rich H2/CO/N2O/Ar flame. Combust Flame, 1997. Vol.109, pp. 647-668.
49 J. Natarajan, Y. Kochar, T. Lieuwen, J. Seitzman. Proceedings of the Combustion Institute, 2009. Vol.32, pp. 1261–1268.
50 R. J. Kee, F. M. Rupley, J. A.Miller. Chemkin-II: a FORTRAN Chemical Kinetics Pack-age for the Analysis of GasPhase Chemical Kinetics. Sandia Laboratories Report, SAND89-8009B, 1993.
51 D.M. Kalitan, J.D. Mertens, M.W. Crof-ton, E.L. Petersen. Ignition and oxidation of lean CO/H2 fuel blends in air. Journal of Propulsion and Power, 2007. Vol.23, pp. 1291–1303.
52 E.L. Petersen, D.M. Kalitan, A.B. Bar-rett, S.C. Reehal, J.D. Mertens, D.J. Beerer, R.L. Hack, V.G. McDonnell. New syngas/air ignition data at lower temperature and elevated pressure and comparison to current kinetics models. Combustion and Flame, 2007. Vol.149, pp. 244–247.
53 J. Herzler, C. Naumann, Shock tube study of the ignition of lean. CO/H2 fuel blends at intermediate temperatures and high pressure, Com-bust. Sci. and Tech., 2008. Vol.180, pp. 2015-2028.
Опубликован
2018-01-23
Раздел
Статьи