Кинетический механизм горения получаемого плазменной газификацией твердых топлив синтез-газа

В.Е. Мессерле; Э.Ф. Осадчая; Н.А. Славинская; А.Б. Устименко

doi:10.18321/

Авторы

В.Е. Мессерле Институт проблем горения, ул. Богенбай Батыра 172, 050012, Алматы, Казахстан
Э.Ф. Осадчая Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. аль-Фараби, ул. аль-Фараби 71, 050040, Алматы, Казахстан
Н.А. Славинская Институт технологии горения, Германский аэрокосмический центр, ул. Pfaffenwaldring 38-40, 70569, Штутгарт, ФРГ
А.Б. Устименко Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. аль-Фараби, ул. аль-Фараби 71, 050040, Алматы, Казахстан

DOI:

https://doi.org/10.18321/

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 ре-акций 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. Найденный 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.

Библиографические ссылки

(1) Key World Energy Statistics. – International Energy Agency, 2012. – 80 p. – URL: www.iea.org

(2)Messerle V. E., Ustimenko A. B. Solid fuel plasma gasification // Advanced Combustion and Aerothermal Technologies / Eds. N. Syred, A. Khalatov. – Springer, 2007. – P. 141–156.

(3) Локвуд Ф. Ч., Мессерле В. Е., Умбеткалиев К. А., Устименко А. Б. Плазменная газификация высокозольных энергетических углей // Горение и плазмохимия. – 2008. – Т. 6, № 1. – С. 50–55.

(4) Мессерле В. Е., Устименко А. Б. Плазмохимические технологии переработки топлив // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2012. – Т. 55, вып. 4. – С. 30–34.

(5) Messerle V. E., Ustimenko A. B., Slavinskaya N. A., Riedel U. 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 No. GT2012-68701. – P. 1–10.

(6) Большова Т. А., Шмаков А. Г., Якимов С. А., Князьков Д. А., Коробейничев О. П. Сокращённый кинетический механизм горения синтез-газа при повышенных температурах и высоком давлении // Физика горения и взрыва. – 2012. – № 5. – С. 109–121.

(7) Старик А. М., Титова Н. С., Шарипов А. С. Детальные кинетические модели окисления водорода и синтез-газа в воздухе // Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения / под ред. А. М. Старика. – М.: Торус-Пресс, 2011. – С. 25–52.

(8) Старик А. М., Титова Н. С., Шарипов А. С. Теоретический анализ кинетики реакций в смесях CO–H₂–O₂ с участием электронно-возбуждённых молекул O₂ // Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения / под ред. А. М. Старика. – М.: Торус-Пресс, 2011. – С. 160–177.

(9) Yetter R. A., Dryer F. L., Rabitz H. A comprehensive reaction mechanism for carbon monoxide/hydrogen/oxygen kinetics // Combustion Science and Technology. – 1991. – Vol. 79, № 1. – P. 97–128.

(10) Hughes K. J., Turanyi T., Clague A. R., Pilling M. J. Development and testing of a comprehensive chemical mechanism for the oxidation of methane // International Journal of Chemical Kinetics. – 2001. – Vol. 33. – P. 513–538.

(11) Zsély I. Gy., Zádor J., Turányi T. Uncertainty analysis of updated hydrogen and carbon monoxide oxidation mechanisms // Proceedings of the Combustion Institute. – 2005. – Vol. 30. – P. 1273–1281.

(12) Davis S. G., Joshi A. V., Wang H., Egolfopoulos F. An optimized kinetic model of H₂/CO combustion // Proceedings of the Combustion Institute. – 2005. – Vol. 30. – P. 1283–1292.

(13) Saxena P., Williams F. A. Testing a small detailed chemical-kinetic mechanism for the combustion of hydrogen and carbon monoxide // Combustion and Flame. – 2006. – Vol. 145. – P. 316–323.

(14) Petrova M. V., Williams F. A. A small detailed chemical-kinetic mechanism for hydrocarbon combustion // Combustion and Flame. – 2006. – Vol. 144. – P. 526–544.

(15) Li J., Zhao Z. W., Kazakov A., Chaos M., Dryer F. L., Scire F. L. A comprehensive kinetic mechanism for CO, CH₂O and CH₃OH combustion // International Journal of Chemical Kinetics. – 2007. – Vol. 39. – P. 109–136.

(16) Chaos M., Dryer F. L. Syngas combustion kinetics and applications // Combustion Science and Technology. – 2008. – Vol. 180. – P. 1053–1096.

(17) Sun H., Yang S. I., Jomaas G., Law C. K. High-pressure laminar flame speeds and kinetic modeling of carbon monoxide/hydrogen combustion // Proceedings of the Combustion Institute. – 2007. – Vol. 31. – P. 439–446.

(18) Frassoldati A., Faravelli T., Ranzi E. The ignition, combustion and flame structure of carbon monoxide/hydrogen mixtures. Note 1: Detailed kinetic modeling of syngas combustion also in presence of nitrogen compounds // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – Vol. 32. – P. 3471–3485.

(19) Le Cong T., Dagaut P. Experimental and detailed kinetic modeling of the oxidation of methane and methane/syngas mixtures and effect of carbon dioxide addition // Combustion Science and Technology. – 2008. – Vol. 180, № 10. – P. 2046–2091.

(20) Dean A. M., Steiner D. C., Wang E. E. 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 // Combustion and Flame. – 1978. – Vol. 32. – P. 73–83.

(21) Yetter R. A., Rabitz H., Dryer F. L. Flow reactor studies of carbon monoxide/hydrogen/oxygen kinetics // Combustion Science and Technology. – 1991. – Vol. 79. – P. 129–140.

(22) Arustamyan A. M., Shakhnazaryan I. K., Philpossyan A. G., Nalbandyan A. B. The kinetics and the mechanism of the oxidation of carbon monoxide in the presence of hydrogen // International Journal of Chemical Kinetics. – 1980. – № 12. – P. 55–75.

(23) Smith M. G. P. et al. GRI-Mech 3.0. – URL: http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/

(24) McLean I.C., Smith D.B., Taylor S.C. The use of carbon monoxide/hydrogen burning velocities to examine the rate of the CO+OH reaction // Proc. Combust. Inst. – 1994. – Vol. 25. – P. 749–757.

(25) Vagelopoulos C.M., Egolfopoulos F.N. Laminar flame speeds and extinction strain rates of mixtures of carbon monoxide with hydrogen, methane, and air // Proc. Combust. Inst. – 1994. – Vol. 25. – P. 1317–1323.

(26) Kim T.J., Yetter R.A., Dryer F.L. New results on moist CO oxidation: high pressure, high temperature experiments and comprehensive kinetic modeling // Proc. Combust. Inst. – 1994. – Vol. 25. – P. 759–766.

(27) Lewis B., von Elbe G. Combustion, Flames, and Explosions of Gases. – 3rd ed. – New York: Academic Press, 1987. – 398 p.

(28) Gardiner W.C. Jr., McFarland M., Morinaga K., Takeyama T., Walker B.F. Ignition delays in H₂–O₂–CO–Ar mixtures // J. Phys. Chem. – 1971. – Vol. 75. – P. 1504–1509.

(29) Huang Y., Sung C.J., Eng J.A. Laminar flame speeds of primary reference fuels and reformer gas mixtures // Combust. Flame. – 2004. – Vol. 139. – P. 239–251.

(30) Mueller M.A., Yetter R.A., Dryer F.L. Flow reactor studies and kinetic modeling of the H₂/O₂/NOₓ and CO/H₂O/O₂/NOₓ reactions // Int. J. Chem. Kinet. – 1999. – Vol. 31. – P. 705–724.

(31) Mittal G.C.J., Sung R.A., Yetter R.A. Autoignition of H₂/CO at elevated pressures in a rapid compression machine // Int. J. Chem. Kinet. – 2006. – Vol. 38. – P. 516–529.

(32) Sivaramakrishnan R., Comandini A., Tranter R.S., Brezinsky K., Davis S.G., Wang H. Combustion of CO/H₂ mixtures at elevated pressures // Proc. Combust. Inst. – 2007. – Vol. 31. – P. 429–437.

(33) Alzueta M.U., Bilbao R., Glarborg P. Inhibition and sensitization of fuel oxidation by SO₂ // Combust. Flame. – 2001. – Vol. 127. – P. 2234–2251.

(34) Hasegawa T., Sato M. Study of ammonia removal from coal-gasified fuel // Combust. Flame. – 1998. – Vol. 114. – P. 246–258.

(35) Walton S.M., He X., Zigler B.T., Wooldridge M.S. An experimental investigation of the ignition properties of hydrogen and carbon monoxide mixtures for syngas turbine applications // Proc. Combust. Inst. – 2007. – Vol. 31. – P. 3147–3154.

(36) Burke M.P., Qin X., Ju Y., Dryer F.L. Measurements of hydrogen syngas flame speeds at elevated pressures // Proc. 5th US Combustion Meeting. – San Diego, CA, USA, 2007. – Mar. 25–28. – Paper No. A16.

(37) Fotache C.G., Tan Y., Sung C.J., Law C.K. Ignition of CO/H₂/N₂ versus heated air in counterflow: experimental and modeling results // Combust. Flame. – 2000. – Vol. 120. – P. 417–426.

(38) Skinner G.B., Ringrose G.H. Ignition delays of a hydrogen–oxygen–argon mixture at relatively low temperature // J. Chem. Phys. – 1965. – Vol. 42. – P. 2190–2192.

(39) Schott G.L., Kinsey J.L. Induction times in the hydrogen–oxygen reaction // J. Chem. Phys. – 1958. – Vol. 29, No. 5. – P. 1177–1182.

(40) Egolfopoulos F.N., Law C.K. An experimental and computational study of the burning rates of ultralean to moderately-rich H₂/O₂/N₂ laminar flames with pressure variations // Proc. Combust. Inst. – 1991. – Vol. 23. – P. 333–340.

(41) Vagelopoulos C.M., Egolfopoulos F.N., Law C.K. Further considerations on the determination of laminar flame speeds with the counterflow twin-flame technique // Proc. Combust. Inst. – 1994. – Vol. 25. – P. 1341–1347.

(42) Karpov V.P., Lipatnikov A.N., Wolanski P. Finding the Markstein number using the measurements of expanding spherical laminar flames // Combust. Flame. – 1997. – Vol. 109, No. 3. – P. 436–448.

(43) Kalitan D.M., Petersen E.L. Ignition and oxidation of lean CO/H₂ fuel blends in air // AIAA Paper 2005-3767. 41st AIAA/ASME/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. – Tucson, AZ, USA, July 10–13, 2005.

(44) Ranzi E., Sogaro A., Gaffuri P., Pennati G., Faravelli T. A wide range modeling study of methane oxidation // Combust. Sci. Tech. – 1994. – Vol. 96, No. 4–6. – P. 279–325.

(45) Dagaut P., Lecomte F., Mieritz J., Glarborg P. 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. – P. 564–575.

(46) Glarborg P., Kubel D., Dam-Johansen K., Chiang H., Bozzelli J.W. Impact of SO₂ and NO on CO oxidation under post-flame conditions // Int. J. Chem. Kinet. – 1996. – Vol. 28. – P. 773–790.

(47) Hassan M.I., Aung K.T., Faeth G.M. Properties of laminar premixed CO/H₂/air flames at various pressures // J. Propulsion Power. – 1997. – Vol. 13, No. 2. – P. 239–245.

(48) Vandooren J., Van Tiggelen P.J., Pauwels J.F. Experimental and modeling studies of a rich H₂/CO/N₂O/Ar flame // Combust. Flame. – 1997. – Vol. 109. – P. 647–668.

(49) Natarajan J., Kochar Y., Lieuwen T., Seitzman J. // Proc. Combust. Inst. – 2009. – Vol. 32. – P. 1261–1268.

(50) Kee R.J., Rupley F.M., Miller J.A. Chemkin-II: A FORTRAN Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas-Phase Chemical Kinetics. – Sandia Laboratories Report SAND89-8009B. – 1993.

(51) Kalitan D.M., Mertens J.D., Crofton M.W., Petersen E.L. Ignition and oxidation of lean CO/H₂ fuel blends in air // J. Propulsion Power. – 2007. – Vol. 23. – P. 1291–1303.

(52) Petersen E.L., Kalitan D.M., Barrett A.B., Reehal S.C., Mertens J.D., Beerer D.J., Hack R.L., McDonnell V.G. New syngas/air ignition data at lower temperature and elevated pressure and comparison to current kinetics models // Combust. Flame. – 2007. – Vol. 149. – P. 244–247.

(53) Herzler J., Naumann C. Shock tube study of the ignition of lean CO/H₂ fuel blends at intermediate temperatures and high pressure // Combust. Sci. Tech. – 2008. – Vol. 180. – P. 2015–2028.