Моделирование процессов горения природного газа и водорода

С. Н. Петин; В. С. Королев; А. А. Борисов; А. В. Бурмакина

doi:10.34831/EP.2022.67.86.005

Моделирование процессов горения природного газа и водорода

С. Н. Петин, В. С. Королев, А. А. Борисов, А. В. Бурмакина

Аннотация

Приведен обзор работ по использованию водорода и метано-водородной смеси как топлива взамен природного газа. Представлены преимущества и недостатки использования водородного топлива. Выполнено в среде ANSYS сравнительное исследование процессов горения природного газа и водорода с верификацией результатов посредством экспериментальных данных, полученных на лабораторном стенде. Дана экономическая оценка эффективности использования водорода как топлива вместо природного газа при различных значениях налога за выбросы СО₂.

Ключевые слова

водородная энергетика; математическое и физическое моделирование; горение; природный газ; туннельная газовая печь

Полный текст:

PDF

Литература

Hydrogen infrastructure - the pillar of energy transition tariff [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.gascade.de/fileadmin/downloads/wasserstoff/whitepaper-h2-infrastructure.pdf (дата обращения 7.09.22)ю

Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. - М.: Наука, 1972. - 721 с.

ГОСТ 31369-2008. Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава. - М., Стандарт-информ, 2009. - 58 с.

Рабинович, В. А. Краткий химический справочник / В. А. Рабинович, З. Я. Хавин. - Л.: Химия, 1977. - 160 с.

DIN Deutsches Institut fьr Normung e. V., DIN EN ISO 6976: Erdgas - Berechnung von Brenn-und Heizwert, Dichte, relativer Dichte und Wobbeindex aus der Zusammensetzung. [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://docplayer.org/27946065-Erdgas-berechnung-von- brenn-und-heizwert-dichte-relativer-dichte-und-wob- beindex- aus-der-zusammensetzung.html (дата обращения 7.09.22).

Schrцder, V. Sicherheitstechnische Eigenschaften von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen 2016 / V. Schrцder, E. Askar, A. K. Habib, T. Tashqin. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.semanticscholar.org/paper/Sicherheitstechnis- che-Eigenschaften-von-Schrцder-Askar/fa94b07062 2263e515fff33a4bce5bd7bcc06948 (дата обращения 17.06.22).

Концепция крупномасштабного развития инновационных систем производства и распределения метано-водородного топлива как эффективного альтернативного энергоносителя. [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://ccortes.ru/stdocs/klumpur2012.pdf(датаобращения07.09.22).

Nowakowski, T. Untersuchung der Auswirkungen von Wasserstoff-Zumischungen in das Erdgasnetz auf thermoprozesstechnische Anlagen. (2019) / T. Nowakowski, J. Leicher, A. Giese, B. Islami, K. Gцrner. [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://www.researchgate.net/publication/336021226_Un-tersuchung_der_Auswirkungen_von_WasserstoffZumischungen_in_das_Erdgasnetz_auf_thermoprozes-stechnische_Anlagen (дата обращения 7.09.22)

Krause, H. Untersuchungen der Auswirkungen von Gasbeschaffenheitsдnderungen auf industrielle und gewerbliche Anwendungen: Abschlussbericht DVGW Forschungsprojekt G 1/06/10, 2014 2014 / H. Krause, M. Werschy, S. Franke, A. Giese, J. Benthin, H. Dцrr [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/266266025_Impact_of_Chan- ging_Natural_Gas_Quality_on_Industrial_Combustion Processes (дата обращения 7.09.22).

Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft - TA Luft) 2002. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.bundesrat.de/SharedDocs/drucksachen/2020/0701-0800/767-20.pdf? blob=publi- cationFile&v=1 (дата обращения 7.09.22).

Scholten, K. Mцgliche Beeinflussung von Bauteilen der Gasinstallation durch Wasserstoffanteile im Erdgas unter Berьcksichtigung der TRGI 2018 / K. Scholten, H. Dцrr, M. Werschy [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://asue.de/sites/default/files/asue/themen/gasturbi- nen/2019/broschueren/ASUE Expertenkreis-Gas- turbinen_Tagungsband_Juni_2019.pdf (дата обращения 7.09.22).

Erler, F. Verhalten bei volatilen Wasserstoffanteilen: Untersuchung des Verhaltens von Bestandsanlagen (Heiz- und KWK-Gerдte) unter hohen, volatilen Wasserstoffmengen (0 - 40 Vol.-%) im Erdgas 2019 / F. Erler, P. Rцthig, M. Werschy [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.dbi-gruppe.de/files/PDFs/Dokumente/11 GWB/191220_Abschlussbericht_GWB Wasserstoff.pdf (дата обращения 7.09.22).

DVGW Regelwerk: DVGW G 262 (A). Nutzung von Gasen aus regenerativen Quellen in der цffentlichen Gasversorgung: Technische Regel - Arbeitsblatt 2011. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://link.springer.com/article/10.1007/s12665-015-41762?error=cookies_not_supported&code=608b8173-b7a3-48b6-9649-ea3b96fce7a3(датаобращения17.06.22).

Nowakowski, T. Untersuchungen der Auswirkung von Wasserstoff-Zumischung ins Erdgasnetz auf industrielle Feuerungsprozesse in thermoprozesstechnischen Anlagen 2017 / T. Nowakowski [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.bundestag.de/resource/blob/646488/a89bbd41acf3b90f8a5fbfbcb8616df4/WD-8-066-19-pdf-data.pdf(датаобращения07.09.22).

Abbott, D. J. Impact of natural gas composition variations on the operation of gas turbines for power generation: The future of gas turbine technology - 6th international conference, Brussels, Belgium 2012 / D. J. Abbott, J. P. Bowers, S. R. James [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.gasgovernance.co.uk/sites/default/file/ggf/Impact%20of%20Natural%20Gas%20Composition%20-%20Paper0.pdf(датаобращения07.09.22).

Larfeldt, J. Hydrogen Co-Firing in Siemens Low NOX Industrial Gas Turbines 2017 /j. Larfeldt [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://www.semanticscholar.org/paper/Hydrogen-Co-Firing-in-Siemens-Low-NOX-Industrial-Larfeldt/37fd8e07212bf1e60f6db535d6e422b11880b816(датаобращения07.09.22).

Flin, D. Gas Turbine World 2018 (Mдrz - April) / D. Flin, [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.elibrary.ru/titleabout.asp?id=16320(датаобращения07.09.22).

Bargiacchi, S E. Energy Procedia 2018 (148), 312 - 319 / E. Bargiacchi, S. Frigo, G. Spazzafumo. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.mendeley.com/catalogue/a550fa0a-0f9e-395a- a954-eff404d9ac5b (дата обращения 7.09.22).

Bulat, G.Intelligent operation of Siemens DLW gas turbine combustion system over an extended fuel range with low emissions 2011 / G. Bulat, K. Liu, G. Brickwood, V. Sanderson, B. Igoe [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.semanticscholar.org/paper/Intelligent-Operation-of-Siemens-(SGT-300)-DLE-Gas-Bulat-Liu/c00213af34ef5e4da8311f6253b4fbf70b2a4b49(датаобращения07.09.22).

Jones, B. Fuel flexibility Concepts and Experience for Power Generation with Hydrogen Based Fuel, Wien / B. Jones, T. Raddings, J. Dicampli. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ge.com/content/dam/gepower/global/en_US/documents/fuel-flexibility/GEA33861%20 Power%20to%20Gas%20%20Hydrogen%20for%20 Power%20Generation.pdf (дата обращения 7.09.22).

Heimdal Nilson, E. Hydrogen gas as fuel in gas turbines / E. Heimdal Nilson, J. Larfeld, M. Rokka, V. Karlsson [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.semanticscholar.org/paper/Hydrogen-gas-as-fuel-in-gas-turbines-Nilsson- Larfeldt/63249e8eee557220952973937e0a097bfc4 c304d (дата обращения 7.09.22).

Савитенко, М. А. Применение водорода в энергетике: вопросы экологии / М. А. Савитенко, Б. А. Рыбаков // Турбины и двигатели. - 2021. - № 1. - С. 10 - 16.

Волков, В. И. Экспериментальное исследование процессов образования оксидов азота и огневого обезвреживания сточных вод / В. И. Волков, С. Н. Петин, А. В. Бурмакина. - М.: Издательство МЭИ, 2019. - 44 с.

Global CO2 Emissions tariff [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.vedomosti.ru/business/articles/2021/11/09/894931-globalnii- tarif (дата обращения 7.09.22).

Газовый бизнес. - 2020. - № 4. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://gazo.ru/ru/media/publications/zhurnal-gazovyy-biznes-4-2020 (дата обращения 7.09.22).

Petin, S. N. Power - cost effectiveness of hydrogen generation using gas wastes from steel smelting / S. N. Petin, T. A. Vysochina, P. N. Grigoryev, S. K. Popov //Journal of Physics: Conference Series. Volume 1683 (2020) 052014. DOI: 10.1088/1742-6596/1683/5/052014.

Петин, С. Н. Развитие водородной энергетики и перспективные разработки производства водорода из природного газа / С. Н. Петин, С. К. Попов, Д. Д. Голдобин, Э. А. Сериков, А. В. Бурмакина // Промышленная энергетика. - 2021. - № 3. - С. 51 - 58.

Попов, С. К. Повышение эффективности теплотехнологий при использовании природного газа и кислорода / С. К. Попов, С. Н. Петин, И. Н. Свистунов, В. А. Ипполитов. - М.: Издательство МЭИ, 2018. - 192 с.

Попов, С. К. Энергохимическая аккумуляция высокотемпературных газовых отходов / С. К. Попов, С. Н. Петин, А. В. Бурмакина, П. А. Стогов // Теплоэнергетика. - 2019. - № 2. - С. 51 - 62.

Картавцев, С. В. Природный газ в восстановительной плавке. СВС и ЭХА / С. В. Картавцев. - Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 188 с.

Григорьев, П. А. Эффективное использование природного газа для производства водорода на металлургических предприятиях / П. А. Григорьев, С. Н. Петин, С. К. Попов, Д. Д. Голдобин // Научный журнал Российского газового общества. - 2022. - № 3. - С. 70 - 75.

DOI: http://dx.doi.org/10.34831/EP.2022.67.86.005