Підвищення ефективності робочого процесу струменево-нішевих пальників за рахунок домішок водню
| dc.contributor.advisor | Сірий, Олександр Анатолійович | |
| dc.contributor.author | Кобилянська, Ольга Олександрівна | |
| dc.date.accessioned | 2024-06-17T12:51:58Z | |
| dc.date.available | 2024-06-17T12:51:58Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | Кобилянська О.О. Підвищення ефективності робочого процесу струменевонішевих пальників за рахунок домішок водню – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Підготовка здійснювалася на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертацію присвячено дослідженню закономірностей процесу горіння традиційних вуглеводневих палив при додаванні водню в умовах струменевонішевого стабілізатора полум’я, робочий процес якого визначає ефективність універсальних дифузійно-кінетичних промислових пальникових пристроїв. В роботі представлені рекомендації щодо адаптації струменево-нішевого стабілізатору для спалювання традиційних газоподібних палив у суміші з воднем. За результатами широкого промислового впровадження пальникових пристроїв струменево-нішевого типу розроблено рекомендації стосовно оцінки емісійних показників модернізованого вогнетехнічного устаткування. Отримані результати є продовженням робіт із вдосконалення робочого процесу пальників, які реалізують струменево-нішеву технологію горіння. В роботі показана актуальність теми, яка підкреслює необхідність переходу до безвуглецевих технологій спалювання палив. Так, поступове заміщення традиційних палив альтернативними є важливою задачею на найближчий період та має супроводжуватися науково-обґрунтованими рекомендаціями. У вступі наводиться обґрунтування актуальності теми дослідження, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, показано особистий внесок здобувача та висновки. Представлено відомості щодо апробації результатів досліджень та напрямки їх потенційного використання. Описано загальний обсяг дисертаційної роботи та її структуру. В першому розділі відображено актуальність даної тематики. Проаналізовано перспективи використання альтернативних газів, таких як: сланцевий газ, шахтний метан, спалювання біогазу, газифікація, використання водню, аміаку. Розглянуто основні особливості водню як палива. Способи виробництва, зберігання та транспортування водню. Теоретичний вплив спалювання водню на екологічні показники. Показано основні аспекти, які треба враховувати при спалюванні суміші водню з природним газом. Проаналізовано результати попередніх досліджень спалювання водню і встановлено основні фактори впливу водню на процес горіння, в порівнянні зі спалюванням природного газу, а саме: вплив на нормальну швидкість горіння, межі займання, геометрію факела, температури горіння. Окрема увага присвячена дослідженню впливу додавання водню до палива на емісію шкідливих компонентів. В ході досліджень авторами показано, що додавання водню призводить до підвищення температури в зоні горіння, а отже і до зростання викидів токсичних оксидів азоту. Натомість викиди СО та СО2 зменшуються. Однією з найбільш ефективних вітчизняних технологій горіння є Струменевонішева технологія, яка має широку географію та номенклатуру ефективно модернізованого газоспалювального устаткування. В контексті основних переваг технології, спалювання сумішного газу з воднем постає перспективним напрямком розвитку вже існуючих науково-технічних рішень. Для проведення досліджень розроблено експериментальний стенд, який дозволяє проводити багатоваріантні досліди, визначати вплив геометричних та режимних параметрів системи на характеристики робочого процесу пальників. Застосування теплової моделі стабілізації горіння забезпечує теоретичне обґрунтування технічних рішень щодо покращення надійності та ефективності експлуатації вогнетехнічного устаткування. Отримані результати дозволяють розробити комплексні рекомендації, щодо спалювання суміші традиційних палив з воднем з ціллю покращення робочих та екологічних показників паливоспалювального устаткування. В другому розділі наведено схему лабораторного стенду, детально представлено методику проведення експерименту і обробки отриманих даних при спалюванні традиційних паливних газів та їх суміші з воднем в умовах струменевонішевої системи. В розділі особливу увагу приділено опису конструкції стенда та наведено вимірювальне обладнання, яке використовувалось під час досліджень. В методиці проведення досліджень описано умови проведення вимірювань та особливості підготовки апаратури до вимірювань. Так, в ході експерименту фіксувались: тиск та температура повітря на вході у вимірювальну ділянку; витрати та температури пальних газів; температура продуктів згоряння по довжині факела та на виході з високотемпературної ділянки; емісійні характеристики СНС, в тому числі CO, CO2 та NOx, витрати компонентів горіння на зривних режимах та режимах запалювання суміші. Емісійні показники вимірювались за допомогою газоаналізаторів Testo-330 1LL та ОКСИ 5М-5Н. В розділі наведено методику обробки експериментальних даних та методику тарування звужуючих пристроїв вимірювання витрати з використанням сопла Вітошинського, наведено порядок обробки результатів вимірювань. Окрема увага приділена оцінці похибок вимірювання, а саме: похибці вимірювання емісійних характеристик СНС та похибці вимірювання швидкості потоку повітря. В третьому розділі наведено результати експериментального дослідження процесу горіння природного газу та пропан-бутану в суміші з воднем. Наведені фотографії факела, які наглядно показують, що додавання водню кардинально змінює структуру факела спалюваної суміші, що пояснюється підвищенням реакційної здатності палива. Результати вимірювання температур у відкритому факелі показало збільшення температури в усті пальника при додаванні водню більше 50% на 35…40°С і для чистого водню на 100-120°С у порівнянні з природним газом. Також додавання водню призводить до збільшення значення гідродинамічного параметра q, що характеризує далекобійність струменів, що важливо врахувати при адаптації пальників СНТ до спалювання водневмісних палив. В роботі досліджено вплив домішок водню на стабілізаційні характеристики спалювання природного газу в об’ємному співвідношенні 30%, 50% та 70% по водню. Показано, що додавання водню значно розширяє межі зриву. Коефіцієнт регулювання пальника при цьому суттєво підвищується. Також було проведено дослідження впливу домішки водню в об’ємному співвідношенні 50% на 50% за різної теплової потужності на розподіл температур. Показано, що додавання водню локально підвищує температури горіння суміші. Експериментально досліджено вплив домішки водню на рівень емісії оксидів азоту та вуглецю у продуктах спалювання сумішевих палив. Встановлено закономірності утворення СО та NOx в залежності від геометричних та режимних параметрів стабілізатора. Так, результати обробки експериментальних даних показали, що викиди оксидів азоту збільшуються приблизно на 65% при потужності пальника 20 кВт і становлять СNOx=57 ppm. Підвищення потужності пальника до 30 кВт призводить до збільшення емісії шкідливих газів на 20%. В свою чергу, для потужності пальника N=20 кВт емісія оксидів вуглецю майже втричі менше (а для випадку N=30 кВт – в 1,7 раза менше), ніж для природного газу без додавання водню. Для пропан-бутану підвищення концентрації оксидів азоту у продуктах згоряння не перевищує 40% і проявляється в більшій мірі у перехідних режимах роботи. Різниця між викидами СО з додаванням водню і для чистого пропан-бутану має майже однакову картину. Тобто, за умов проведення досліджень водень майже не впливає на екологічні характеристики спалювання пропан-бутану. В розділі було проведено стехіометричний розрахунок викидів СО2 у випадку заміщення метану воднем на 50% за об’ємом. Результати розрахунків показали зниження емісії СО2 на 23,0%. Також проведено теоретичний розрахунок викидів СО2 за ГКД 34.02.305-2002, в результаті розрахунку встановлено, що зниження викидів у випадку заміщення природного газу воднем на 50% за об’ємом складає – 24,0%. Представлені теоретичні результати корелюються з характеристикою отриманою за результатами газового аналізу. В роботі наведені приведені показники концентрації оксидів азоту, які використовуються при проведенні екологічного аудиту пальникових пристроїв. Надані рекомендації щодо адаптації конструкції струмінево-нішевого стабілізатору до спалювання сумішних палив в пальниках СНТ. В четвертому розділі наведено результати енергоекологічної оцінки паливоспалюючого устаткування. Так, за результатами аналізу емісійних показників модернізованого вогнетехнічного обладнання потужністю 0,5–60 МВт отримано дані для оцінки емісійних показників котлів малої та середньої потужності залежно від основних впливових факторів, а саме: від типорозміру агрегату, коефіцієнта надлишку повітря й навантаження котла, а також враховано вплив введення газів рециркуляції у топковий простір на рівень концентрації оксидів азоту. Так, введення 12-14% продуктів згоряння у топковий простір котла майже в 2,5 раза зменшує вміст оксидів азоту у відхідних газах. Показано, що зменшення оксидів азоту на один відсоток рециркуляційних газів становить величину CNOx=2...8%. Пальники СНТ мають на 1/3 вищу ефективність схеми рециркуляції в порівнянні з іншими газоспалювальнимим системами. Запропоновано методологічний підхід щодо екологічної оцінки котельного устаткування модернізованого на базі СНТ з використанням підходу компенсації впливів. Представлені результати є важливим етапом досліджень стосовно подальшого поглиблення уявлення процесів емісії шкідливих оксидів при спалюванні вуглеводневих палив у суміші з воднем. Результати дисертаційної роботи використані підприємством НВО «СНТ» при проєктуванні промислового газопальникового устаткування. Результати теплотехнічного налагодження водогрійних котлів КВ-Г-6,5, КВН-3,9, НИИСТУ-5, КВ-ГМ-20, ПТВМ-30 і ПТВМ-50, а також парових котлів типу ДКВР є технічною базою для узагальнення еколого-теплотехнічних показників паливоспалювального устаткування модернізованого на основі СНТ. Запропоновані методичні засади екологічного аудиту низки об’єктів паливоспалювального устаткування. | |
| dc.description.abstractother | Kobylianska O.O. Increasing the efficiency of the working process of jet-niche burners due to hydrogen impurities - Qualification scientific work on the rights of a manuscript. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 144 "Heat Power Engineering." - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The preparation was carried out at the Department of Thermal and Alternative Energy of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The thesis is devoted to the study of the regularities of the combustion process of traditional hydrocarbon fuels when hydrogen is added under the conditions of a jet-niche flame stabilizer, the working process of which determines the efficiency of universal diffusion-kinetic industrial burners. The paper presents recommendations for the adaptation of the jet-niche stabilizer for the combustion of traditional gaseous fuels mixed with hydrogen. Based on the results of widespread industrial implementation of jet-niche burners, recommendations have been developed for assessing the emission performance of modernized fire equipment. The results obtained are a continuation of work on improving the working process of burners that implement jet-niche combustion technology. The paper demonstrates the relevance of the topic, which emphasizes the need for transition to carbon-free combustion technologies. Thus, the gradual replacement of traditional fuels with alternative ones is an important task for the near future and should be accompanied by scientifically sound recommendations. The introduction provides a justification of the relevance of the research topic, formulates the purpose and objectives of the study, defines the object, subject, scientific novelty and practical value of the results obtained, shows the personal contribution of the applicant and conclusions. Information on the testing of research results and areas of their potential use is presented. The overall scope of the thesis and its structure are described. The first chapter reflects the relevance of this topic. The prospects for the use of alternative gases, such as shale gas, coalbed methane, biogas combustion, gasification, hydrogen and ammonia, are analyzed. The main features of hydrogen as a fuel are considered. Methods of hydrogen production, storage and transportation. The theoretical impact of hydrogen combustion on environmental indicators. The main aspects that should be taken into account when burning a mixture of hydrogen and natural gas are shown. The results of previous studies of hydrogen combustion are analyzed and the main factors of hydrogen influence on the combustion process are established, compared to the combustion of natural gas, namely: the effect on the normal combustion rate, ignition limits, flame geometry, and combustion temperature. Special attention is paid to the study of the impact of hydrogen addition to fuel on the emission of harmful components. The authors have shown that the addition of hydrogen leads to an increase in the temperature in the combustion zone, and hence to an increase in toxic nitrogen oxide emissions. At the same time, CO and CO2 emissions are reduced. One of the most effective domestic combustion technologies is the jet-niche technology, which has a wide geography and a range of effectively modernized gas combustion equipment. In the context of the main advantages of the technology, the combustion of mixed gas with hydrogen appears to be a promising direction for the development of existing scientific and technical solutions To conduct the research, an experimental bench was developed that allows conducting multivariate experiments, determining the influence of geometric and operating parameters of the system on the characteristics of the burner process. The application of the thermal model of combustion stabilization provides a theoretical basis for technical solutions to improve the reliability and efficiency of fire equipment operation. The obtained results allow us to develop comprehensive recommendations for the combustion of a mixture of traditional fuels with hydrogen in order to improve the performance and environmental performance of fuel combustion equipment. Chapter 2 presents a diagram of the laboratory testbed, describes in detail the methodology for conducting the experiment and processing the data obtained during the combustion of traditional fuel gases and their mixture with hydrogen in a jet-niche system. The chapter pays special attention to the description of the test bench design and presents the measuring equipment used during the research. The research methodology describes the conditions of measurements and the peculiarities of preparing the equipment for measurements. Thus, during the experiment, the following were recorded: air pressure and temperature at the inlet to the measuring section; flow rates and temperatures of combustible gases; temperature of combustion products along the length of the flare and at the outlet of the high-temperature section; emission characteristics of the JNS, including CO, CO2, and NOx, consumption of combustion components in the burst and mixture ignition modes. The emission characteristics were measured using Testo-330 1LL and OXI 5M-5N gas analyzers. The chapter describes the methodology for processing experimental data and the methodology for calibrating flow restriction devices using a Vitoshinsky nozzle, and the procedure for processing the measurement results. Particular attention is paid to the estimation of measurement errors, namely, the measurement error of the emission characteristics of the JNS and the measurement error of the air flow rate. Chapter 3 presents the results of an experimental study of the combustion of natural gas and propane-butane mixed with hydrogen. Photos of the flame are presented, which clearly show that the addition of hydrogen radically changes the structure of the flame of the combusted mixture, which is explained by an increase in the reactivity of the fuel.The results of measuring temperatures in an open flame showed an increase in the temperature at the burner mouth with the addition of hydrogen by more than 50% by 35...40°C and for pure hydrogen by 100-120°C compared to natural gas. Also, the addition of hydrogen leads to an increase in the value of the hydrodynamic parameter q, which characterizes the range of jets, which is important to take into account when adapting JNS burners to the combustion of hydrogen-containing fuels. The paper investigates the influence of hydrogen impurities on the stabilization characteristics of natural gas combustion in the volume ratio of 30%, 50%, and 70% by hydrogen. It is shown that the addition of hydrogen significantly expands the limits of failure. The burner control coefficient increases significantly. The effect of hydrogen admixture in the volume ratio of 50% to 50% at different heat output on the temperature distribution was also studied. It was shown that the addition of hydrogen locally increases the combustion temperature of the mixture. The influence of hydrogen impurity on the level of nitrogen and carbon oxides emissions in the products of mixed fuel combustion was experimentally studied. The regularities of CO and NOx formation depending on the geometric and operating parameters of the stabilizer were established. Thus, the results of processing the experimental data showed that nitrogen oxide emissions increase by about 65% at a burner power of 20 kW and amount to СNOx=57 ppm. Increasing the burner power to 30 kW leads to a 20% increase in emissions of harmful gases. In turn, for a burner power of N=20 kW, carbon monoxide emissions are almost three times lower (and for N=30 kW – 1,7 times lower) than for natural gas without hydrogen addition. For propane-butane, the increase in the concentration of nitrogen oxides in the combustion products does not exceed 40% and is manifested to a greater extent in transient operating conditions. The difference between CO emissions with the addition of hydrogen and for pure propane-butane is almost identical. That is, under the conditions of the study, hydrogen has almost no effect on the environmental characteristics of propane-butane combustion. In this section, we performed a stoichiometric calculation of CO2 emissions in the case of methane replacement by hydrogen by 50% by volume. The calculation results showed a 23,0% reduction in CO2 emissions. Also, a theoretical calculation of CO2 emissions according to GKD 34.02.305-2002 was performed, which showed that the reduction of emissions in the case of replacing natural gas with hydrogen by 50% by volume is 24.0%. The presented theoretical results are correlated with the characterization obtained from the gas analysis. The paper presents the preliminary indicators of nitrogen oxides concentration used in the environmental audit of burners. Recommendations on the adaptation of the SNS to the combustion of mixed fuels are given. The fourth chapter presents the results of the energy and environmental assessment of fuel-burning equipment. Thus, based on the results of the analysis of emission indicators of modernized fire equipment with a capacity of 0,5-60 MW, data were obtained to assess the emission indicators of small and medium-sized boilers, depending on the main influencing factors, namely: the size of the unit, the excess air coefficient and the boiler load, and the effect of the introduction of recirculation gases into the furnace space on the level of nitrogen oxides concentration was taken into account. Thus, the introduction of 12-14% of combustion products into the boiler furnace space reduces the content of nitrogen oxides in the flue gases by almost 2,5 times. It has been shown that the reduction of nitrogen oxides by one percent of recirculating gases is CNOx=2...8%.JNS burners have a 1/3 higher efficiency of the recirculation scheme compared to other gas combustion systems. A methodological approach for the environmental assessment of boiler equipment modernized on the basis of JNT using the approach of impact compensation is proposed. The presented results are an important stage of research for further deepening the understanding of the processes of emission of harmful oxides during the combustion of hydrocarbon fuels mixed with hydrogen. The results of the thesis work have been implemented at the JNT enterprise in the design of industrial gas-fired equipment. The results of the thermal commissioning of hot-water boilers KV-G-6,5, KVN-3,9, NIISTU-5, KV-GM-20, PTVM-30, and PTVM-50, as well as steam boilers of the DKVR type, are the technical basis for generalizing the environmental and thermal performance of fuel-burning equipment modernized on the basis of JNT. The methodical principles of ecological audit of a number of fuel combustion equipment are proposed. | |
| dc.format.extent | 137 с. | |
| dc.identifier.citation | Кобилянська, О. О. Підвищення ефективності робочого процесу струменевонішевих пальників за рахунок домішок водню : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Кобилянська Ольга Олександрівна. – Київ, 2024. – 137 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67205 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | пальникові пристрої | |
| dc.subject | мікроструминні пальники | |
| dc.subject | стабілізатор | |
| dc.subject | котли | |
| dc.subject | водень | |
| dc.subject | характеристики горіння | |
| dc.subject | «бідний» зрив | |
| dc.subject | енергетичні характеристики | |
| dc.subject | термодинамічний аналіз | |
| dc.subject | тепловий стан | |
| dc.subject | методологія | |
| dc.subject | димові гази | |
| dc.subject | оксиди азоту | |
| dc.subject | очищення повітря | |
| dc.subject | енергоефективність | |
| dc.subject | burners | |
| dc.subject | microjet burners | |
| dc.subject | stabilizer | |
| dc.subject | boilers | |
| dc.subject | hydrogen | |
| dc.subject | combustion characteristics | |
| dc.subject | "poor" failure | |
| dc.subject | energy characteristics | |
| dc.subject | thermodynamic analysis | |
| dc.subject | heat state | |
| dc.subject | methodology | |
| dc.subject | flue gases | |
| dc.subject | nitrogen oxides | |
| dc.subject | air purification | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject.udc | 621.43.056 | |
| dc.title | Підвищення ефективності робочого процесу струменево-нішевих пальників за рахунок домішок водню | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Kobylianska_dys.pdf
- Розмір:
- 3.56 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: