Енерготехнологічні особливості використання водневих технологій в технологічних установках

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorВоробйов, Микита Валерійович
dc.contributor.authorРябцун, Руслан Сергійович
dc.date.accessioned2025-06-05T07:31:44Z
dc.date.available2025-06-05T07:31:44Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractРябцун Р.С. Енерготехнологічні особливості використання водневих технологій в технологічних установках – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 142 «Енергетичнемашинобудування». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Підготовка здійснювалася на кафедрі атомних та електричних станцій Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Заміна природного газу воднем, окрім очевидних переваг у зменшенні викидів CO₂ і декарбонізації атмосфери, спричиняє зміни вогнетехнічних та емісійних характеристик паливно-окислювальних сумішей. Зокрема, це веде до збільшення абсолютного споживання паливного газу через нижчу теплоту згоряння водню, а також до зростання утворення оксидів азоту (NOx) через вищу температуру горіння водню. Завдання зменшення викидів парникових газів набуває дедалі більшої актуальності, що стимулює впровадження інноваційних водневих технологій у сфері енергетики, зокрема заміну природного газу воднем. Змішування водню з природним газом сприяє поліпшенню екологічних показників і зменшенню утворення CO2. У вступі обґрунтовано актуальність дослідження, визначено його мету та основні завдання, а також визначено об’єкт і предмет дослідження. Розкрито наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, окреслено особистий внесок здобувача і зроблено ключові висновки. Наведено інформацію про апробацію результатів дослідження та можливі напрямки їх практичного застосування. Також описано загальний обсяг та структуру дисертаційної роботи. В першому розділі проаналізовані відомі наукові роботи стосовно використання воденьмістких палив для промислових об’єктів та побутових пристроїв, також розглянуто особливості виробництва водню, та перспективи водневої енерегетики. Опрацювані наукові статті щодо кількості використання природнього газу та переспективи виробництва зеленого водню. Особливу увагу приділено екологічним аспектам заміщення природного газу на суміші з воднем. На прикінці першого розділу сформульовано мету та завдання роботи. В другому розділі проведені теоретично-розрахункові дослідення вогнетехнічних та екологічних властивостей газових палив, складених із сумішей метану та водню, а саме швидкостей горіння, зміни адіабатичної температури горіння сумішей при збільшенні долі водню у паливі, оцінці утворення оксидів азоту, та викидів СО2. Використання водню при заміщенні природного газу крім очевидних переваг з декарбонізації атмосфери (зменшення викидів СО2) призводить до зміни вогнетехнічних та емісійних використання характеристик паливо-окислювальних сумішей, зокрема збільшення абсолютної витрати паливного газу через меншу теплоту згоряння водню, збільшення утворення оксидів азоту NOx через більшу температуру горіння водню та ін. В третьому розділі проведено експериментальні дослідження спалювання метано-водневих сумішей на промисловому пальнику SUEMAX потужністю до 30 кВт. Доля заміщення воднем природного газу складала відповідно [Н2] = 30 % об. та 50 % об. Також в пальнику було спалено чистий водень ([Н2] =100 % об.). Мета дослідження полягала у визначенні енергоекологічних характеристик спалювання метано-водневих сумішей в промисловому газовому пальнику з визначенням емісії NOx, СО та температурних характеристик факелу з порівнянням з випадком спалювання чистого природного газу (метану). На основі аналізу результатів експериментів визначено, що при спалюванні метано-водневої суміші зменшуються викиди СО та збільшуються температури викидних газів і емісія NOx. Встановлено, що емісія оксидів азоту NOx зростає в ~1,5…2,0 рази та складає [NOx] = 89 – 50 ppm для спалювання чистого водню. В той же час відмічається суттєве зниження утворення СО, ~20 разів при спалюванні суміші [СН4] / [Н2] = 50 / 50, % об., рівень утворення СО складає [СО] = 1 – 2 ppm. Наведені характеристики показують суттєвий вплив конструкції стабілізатору, так для пальника SUEMAX довжина факелу в наведеному робочому режимі коротша на 20 % у порівнянні з СНС. В четвертому розділі основною метою дослідження є визначення впливу процентного вмісту водню в паливній суміші з метаном на утворення оксидів азоту (NOx), при використанні в штатних осьових пальниках водогрійного котла типу ДКВР-10-13. Також в роботі ставилась задача визначити середні характеристики теплообміну в топковій камері згаданого котельного агрегату за допомогою відомого пакету програм CFD-моделювання ANSYS-Fluent, що дозволяє після попередньої верифікації з експериментальними даними взятими з робіт інших авторів, розширити діапазони режимних параметрів, що можуть впливати на роботу котельного агрегату в цілому. Методи, об’єкт та предмет дослідження. Об’єкт дослідження – процеси спалювання метано-водневих сумішей у технологічних установках. Предмет дослідження – енергетичні та екологічні харакетристики (утворення шкідливих речовин) процесу горіння при спалювані метано-водневих сумішей. Методи дослідження – у дослідженні застосовувалися як експериментальні, так і розрахунково-теоретичні методи аналізу процесів горіння. Експерименти зі спалювання суміші природного газу та водню проводилися на спеціально обладнаному експериментальному стенді. Отримані результати оброблялися й узагальнювалися із використанням сучасного програмного забезпечення.
dc.description.abstractotherRyabtsun R.S. Energy-technological features of the use of hydrogen technologies in technological installations – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 142 "Power Engineering". – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2025. The training was carried out at the Department of Nuclear and Power Plants of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine. Replacing natural gas with hydrogen, in addition to the obvious advantages in reducing CO₂ emissions and decarbonizing the atmosphere, causes changes in the combustion and emission characteristics of fueloxidizer mixtures. In particular, it leads to an increase in the absolute consumption of fuel gas due to the lower calorific value of hydrogen, as well as to an increase in the formation of nitrogen oxides (NOx) due to the higher combustion temperature of hydrogen. The task of reducing greenhouse gas emissions is becoming increasingly urgent, which stimulates the implementation of innovative hydrogen technologies in the energy sector, in particular the replacement of natural gas with hydrogen. Mixing hydrogen with natural gas contributes to improving environmental performance and reducing CO₂ formation. The introduction substantiates the relevance of the research, defines its purpose and main tasks, and specifies the object and subject of the research. The scientific novelty and practical value of the obtained results are revealed, the personal contribution of the applicant is outlined, and key conclusions are drawn. Information is provided on the testing of the research results and possible directions for their practical application. The general scope and structure of the dissertation work are also described. The first chapter well-known scientific works on the use of hydrogen-containing fuels for industrial facilities and household appliances are analyzed, the features of hydrogen production and the prospects of hydrogen energy are also considered. Scientific articles on the amount of natural gas used and the prospects for the production of green hydrogen are reviewed. Special attention is paid to the environmental aspects of replacing natural gas with a mixture of hydrogen. At the end of the first section, the goal and objectives of the work are formulated. Chapter 2 theoretical and computational studies of the firetechnical and environmental properties of gaseous fuels composed of mixtures of methane and hydrogen were conducted, namely, combustion rates, changes in the adiabatic combustion temperature of mixtures with an increase in the proportion of hydrogen in the fuel, assessment of the formation of nitrogen oxides, and CO2 emissions. The use of hydrogen to replace natural gas, in addition to the obvious advantages of decarbonizing the atmosphere (reducing CO2 emissions), leads to changes in the fire-technical and emission characteristics of fuel-oxidizer mixtures, in particular, an increase in the absolute consumption of fuel gas due to a lower heat of combustion of hydrogen, an increase in the formation of nitrogen oxides NOx due to a higher combustion temperature of hydrogen, etc. In Chapter 3 the experimental studies were conducted on the combustion of methane-hydrogen mixtures using an industrial SUEMAX burner with a capacity of up to 30 kW. The proportion of hydrogen substitution of natural gas was [H2] = 30 % by volume and 50 % by volume, respectively. The purpose of the study was to determine the energy and environmental characteristics of combustion of methane-hydrogen mixtures in an industrial gas burner with the determination of NOx, CO emissions and flame temperature characteristics in comparison with the case of combustion of pure natural gas (methane). Based on the analysis of the experimental results, it was determined that when burning a methane-hydrogen mixture, CO emissions decrease and exhaust gas temperatures and NOx emissions increase. It was found that the emission of nitrogen oxides NOx increases by ~1.5…2.0 times and amounts to [NOx] = 89 – 50 ppm for the combustion of pure hydrogen. At the same time, a significant decrease in CO formation is noted, ~20 times when the mixture [СН4] / [Н2] = 50 / 50, % vol. is burned, the level of CO formation is [СО] = 1 – 2 ppm. The above characteristics show a significant influence of the stabilizer design, so for the SUEMAX burner the torch length in the given operating mode is 20% shorter compared to the SNS. Chapter 4 the main objective of the study is to determine the influence of the percentage of hydrogen in the fuel mixture with methane on the formation of nitrogen oxides (NOx), when used in standard axial burners of a water-heating boiler of the DKVR-10-13 type. The work also set the task of determining the average heat transfer characteristics in the combustion chamber of the mentioned boiler unit using the well-known CFD modeling software package ANSYS-Fluent, which allows, after preliminary verification with experimental data taken from the works of other authors, to expand the ranges of operating parameters that can affect the operation of the boiler unit as a whole. Methods, object and subject of research. The object of research is the processes of combustion of methanehydrogen mixtures in technological installations. The subject of research is the energy and environmental characteristics (formation of harmful substances) of the combustion process when burning methane-hydrogen mixtures. Research methods – the study used both experimental and computational and theoretical methods for analyzing combustion processes. Experiments on the combustion of a mixture of natural gas and hydrogen were conducted on a specially equipped experimental stand. The results were processed and summarized using modern software.
dc.format.extent113 с.
dc.identifier.citationРябцун, Р. С. Енерготехнологічні особливості використання водневих технологій в технологічних установках : дис. … д-ра філософії : 142 Енергетичне машинобудування / Рябцун Руслан Сергійович. – Київ, 2025. – 113 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74086
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectводнева енергетика
dc.subjectметано-водневі суміші
dc.subjectСFD моделювання
dc.subjectокисли азоту
dc.subjectпроцеси горіння
dc.subjectшкідливі викиди
dc.subjectпромислові пальники
dc.subjectрадіаційний та конвективний теплообмін
dc.subjectкотельна установка
dc.subjecthydrogen energy
dc.subjectmethane-hydrogen mixtures
dc.subjectCFD modeling
dc.subjectnitrogen oxides
dc.subjectcombustion processes
dc.subjectenergy ecology
dc.subjectharmful emissions
dc.subjectindustrial burners
dc.subjectradiation and convective heat exchange
dc.subjectboiler plant
dc.subject.udc621.43.056
dc.titleЕнерготехнологічні особливості використання водневих технологій в технологічних установках
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Ryabtsun_dys.pdf
Розмір:
2.58 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (АЕ)
Дисертації (вільний доступ)