Speakers
Description
Современные концепции сокращения углеродных выбросов в условиях ограниченного количества водорода и энергии для его производства предусматривают использование в качестве топлива смесей метана с водородом [1]. Одним из ключевых аспектов безопасности использования газовой смеси является знание ее пределов воспламеняемости и условий, при которых она может безопасно храниться и транспортироваться. На сегодняшний день известны исследования, посвященные оценке безопасности при производстве и использовании смесей природного газа с водородом [2], в которых не проводились работы по определению пределов воспламеняемости. Известны экспериментальные и численные исследования, посвященные влиянию добавок водорода на ламинарную скорость горения смесей метана или природного газа с воздухом [3] и [4]. Однако, детальное исследование пределов воспламеняемости трёхкомпонентных смесей водород-метан-воздух по-прежнему остается открытой задачей.
В рамках текущего исследования определены концентрационные пределы самоподдерживающегося распространения пламени в смеси водород-метан-воздух при температурах 50-150°C. Работа носит экспериментальный характер, так как исследование свойств многокомпонентных составов по нередуцированным кинетическим схемам с помощью численного моделирования не всегда приводит к удовлетворяющим результатам ввиду огромной сложности расчетов [5], требующих недоступных на сегодняшний день вычислительных мощностей.
Для проведения экспериментов была спроектирована и собрана установка, соответствующая требованиям ГОСТ 12.1.044.2018, приведенная на рис. 1. Кроме того, на рис.2 приведена схема лабораторного стенда. Система нагрева и обеспечения температуры во взрывной камере состоит из термоизолированного шкафа с композитными стенками, конвективных нагревателей и вентилятора, необходимого для интенсификации конвекции. Предварительно камера откачивается с помощью вакуумного насоса, затем через магистраль подается смесь водорода и метана, после чего при помощи компрессора добавляется необходимый объем воздуха. Для зажигания используется взрывающаяся нихромовая проволочка, которая присоединена к системе зажигания. Данные о температуре и давлении передаются на измерительные приборы через термопару и датчики статического и динамического давлений. Для регулировки максимальной температуры внутри шкафа используется ЛАТР.
Критерием воспламенения является увеличение давления после зажигания более чем на 5%. Смесь считается негорючей, если она не загорелась ни разу в серии из 3 экспериментов. Границы зоны самоподдерживающегося горения находятся с точностью до 1% объемной доли газа. Для нахождения предела воспламенения многокомпонентных смесей была разработана комбинированная методика, включающая в себя бинарный поиск для определения примерного рассматриваемого диапазона, а затем деление этого диапазона на дискретные интервалы с интересующей точностью.
По результатам эксперимента были построены аналоги диаграммы Шапиро-Моффети для смеси водород-метан-воздух, показывающие область воспламеняемости смеси в зависимости от концентрации компонентов. На рис. 3 приведен пример диаграммы при начальной температуре 50°C и давлении 1 атм. В работе также представлены зависимости концентрационного предела от температуры и давления.
Результаты работы могут быть использованы для оптимизации параметров рабочего процесса в камерах сгорания энергетических установок и обеспечения пожаровзрывобезопасности при использовании в качестве топлива смесей метана с воздухом.
- Арутюнов В.С., Арутюнов А.В. Перспективные пути снижения углеродного следа мировой экономики // Горение и плазмохимия. 2022. Т.20. С. 289-294.
- Askar E. [et al.] Power-to-gas: Safety characteristics of hydrogen/natural-gas mixtures // Chem. Eng. Trans. 2016. V. 48. P. 397-402.
- Mitu M., Razus D., Schroeder V. Laminar burning velocities of hydrogen-blended methane–air and natural gas–air mixtures, calculated from the early stage of p(t) records in a spherical vessel // Energies. 2021. V. 14. P. 7556.
- Zhang Y. [et al.] A chemical kinetic investigation of laminar premixed burning characteristics for methane-hydrogen-air mixtures at elevated pressures // J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2020. V. 111. P. 141-154.
- Лаевский Ю.М., Яушева Л.В. Численное моделирование фильтрационного горения газа на основе двухуровневых полунеявных разностных схем // Вычислительные технологии. 2007. Т. 12. № 2. С. 90-91.
