Структура пламен смесей аммиак/водород/кислород/аргон при повышенных давлениях
https://doi.org/10.25205/2541-9447-2022-17-2-56-68
Аннотация
Актуальной задачей является поиск альтернативных источников топлива. Наиболее привлекательным из них является водород, поскольку при его горении образуется только вода. Однако ввиду специфических свойств водорода его широкое применение в качестве топлива не представляется возможным. Существует идея использования химических носителей водорода таких как, например, аммиак. Для улучшения характеристик горения аммиака в него можно добавить небольшое количество водорода, который может быть получен из самого аммиака. В работе представлены экспериментальные данные по структуре пламен смесей NH3/H2/O2/Ar при давлении 4 атм. Значения коэффициента избытка топлива составляли 0,8, 1,0 и 1,2, соотношение NH3/H2 бралось равным 1/1. Для измерения структуры пламен использован метод зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии с мягкой ионизацией электронным ударом. Для стабилизации пламен использовалась плоская горелка. Температурные профили в пламени измерялись при помощи тонких термопар S-типа. Численное моделирование проводилось при помощи модуля PREMIX из программного пакета CHEMKIN. Сравнение экспериментальных и численных данных позволило выбрать химико-кинетический механизм окисления смесей NH3/H2 из числа представленных в литературе, обладающий наилучшей предсказательной способностью. Экспериментальные и численные данные показали, что основными азотсодержащими соединениями в зоне конечных продуктов горения являются N2 и NO, при этом концентрация N2O и NO2 незначительна. Показано, что с точки зрения снижения концентрации NO в зоне конечных продуктов горения наиболее оправдано использовать горючие смеси с небольшим избытком топлива. Кроме того, было проанализировано влияние величины коэффициента избытка топлива на пиковую концентрацию NO, N2O и NO2. Было показано, что для снижения пиковой концентрации NO, N2O и NO2 также предпочтительно использовать богатые топливные смеси.
Об авторах
К. Н. Осипова
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН
Россия
Россия
Осипова Ксения Николаевна, аспирант
Новосибирск
А. Г. Шмаков
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН
Россия
Россия
Шмаков Андрей Геннадьевич, доктор химических наук, заведующий лабораторией Кинетики процессов горения
Новосибирск
Список литературы
1. Chen J., Fei Y., Wan Z. The Relationship between the Development of Global Maritime Fleets and GHG Emission from Shipping. J. Environ. Manage, 2019, vol. 242, p. 31–39.
2. Kojima, Y. Hydrogen Storage Materials for Hydrogen and Energy Carriers. Int. J. Hydrog. Energy., 2019, vol 44(33), p. 18179–18192.
3. Morlanés N., Katikaneni S. P., Paglieri S. N., Harale A., Solami B., Sarathy S. M., Gascon J. A Technological Roadmap to the Ammonia Energy Economy: Current State and Missing Technologies. Chem. Eng. J., 2021, vol. 408, p. 127310.
4. Service R. Liquid Sunshine. Science, 2018, vol. 361, p. 120–123.
5. Takizawa K., Takahashi A., Tokuhashi K., Kondo S., Sekiya A. Burning Velocity Measurements of Nitrogen-Containing Compounds. J. Hazard. Mater., 2008, vol. 155(1), p. 144–152.
6. Hayakawa A., Goto T., Mimoto R., Arakawa Y., Kudo T., Kobayashi H. Laminar Burning Velocity and Markstein Length of Ammonia/Air Premixed Flames at Various Pressures. Fuel, 2015, vol. 159, p. 98–106.
7. Lee J. H., Kim J. H., Park J. H., Kwon O. C. Studies on Properties of Laminar Premixed Hydrogen-Added Ammonia/Air Flames for Hydrogen Production. Int. J. Hydrog. Energy., 2010, vol. 35(3), p. 1054–1064.
8. Ichikawa A., Hayakawa A., Kitagawa Y., Somarathne K. D. K. A., Kudo T., Kobayashi H. Laminar Burning Velocity and Markstein Length of Ammonia/Hydrogen/Air Premixed Flames at Elevated Pressures. Int. J. Hydrog. Energy, 2015, vol. 40 (30), p. 9570–9578.
9. da Rocha R. C., Costa M., Bai X.-S. Chemical Kinetic Modelling of Ammonia/Hydrogen/Air Ignition, Premixed Flame Propagation and NO Emission. Fuel, 2019, vol. 246, p. 24–33.
10. Han X., Wang Z., Costa M., Sun Z., He Y., Cen K. Experimental and Kinetic Modeling Study of Laminar Burning Velocities of NH3/Air, NH3/H2/Air, NH3/CO/Air and NH3/CH4/Air Premixed Flames. Combust. Flame, 2019, vol. 206, p. 214–226.
11. Li J., Huang H., Kobayashi N., He Z., Nagai Y. Study on Using Hydrogen and Ammonia as Fuels: Combustion Characteristics and NOx Formation. Int. J. Energy Res., 2014, vol. 38 (9), p. 1214–1223.
12. Lee J.-B.; Lee S.-I.; Kwon O. C. Effects of Ammonia Substitution on Hydrogen/Air Flame Propagation and Emissions. Int. J. Hydrog. Energy, 2010, vol. 35, p. 11332–11341.
13. Wang S., Wang Z., Elbaz A. M., Han X., He Y., Costa M., Konnov A. A., Roberts W. L. Experimental Study and Kinetic Analysis of the Laminar Burning Velocity of NH3/Syngas/Air, NH3/CO/Air and NH3/H2/Air Premixed Flames at Elevated Pressures. Combust. Flame, 2020, vol. 221, p. 270–287.
14. Lhuillier C., Brequigny P., Lamoureux N., Contino F., Mounaïm-Rousselle C. Experimental Investigation on Laminar Burning Velocities of Ammonia/Hydrogen/Air Mixtures at Elevated Temperatures. Fuel, 2020, vol. 263, p. 116653.
15. Shu B., Vallabhuni S. K., He X., Issayev G., Moshammer K., Farooq A., Fernandes R. X. A. Shock Tube and Modeling Study on the Autoignition Properties of Ammonia at Intermediate Temperatures. Proc. Combust. Inst., 2019, vol 37(1), p. 205–211.
16. Dai L., Gersen S., Glarborg P., Levinsky H., Mokhov A. Experimental and Numerical Analysis of the Autoignition Behavior of NH3 and NH3/H2 Mixtures at High Pressure. Combust. Flame, 2020, vol. 215, p. 134–144.
17. Mathieu O., Petersen E. L. Experimental and Modeling Study on the High-Temperature Oxidation of Ammonia and Related NOx Chemistry. Combust. Flame, 2015, vol. 162 (3), p. 554–570.
18. Zhang X., Moosakutty S. P., Rajan R. P., Younes M., Sarathy S. M. Combustion Chemistry of Ammonia/Hydrogen Mixtures: Jet-Stirred Reactor Measurements and Comprehensive Kinetic Modeling. Combust. Flame, 2021, vol. 234, p. 111653.
19. Osipova K. N., Zhang X., Sarathy S. M., Korobeinichev O. P., Shmakov A. G. Ammonia and Ammonia/Hydrogen Blends Oxidation in a Jet-Stirred Reactor: Experimental and Numerical Study. Fuel, 2022, vol. 310, p. 122202.
20. Duynslaegher C., Jeanmart H., Vandooren J. Flame Structure Studies of Premixed Ammonia/ Hydrogen/Oxygen/Argon Flames: Experimental and Numerical Investigation. Proc. Combust. Inst., 2009, vol. 32 (1), p. 1277–1284.
21. Osipova K. N., Korobeinichev O. P., Shmakov A. G. Chemical Structure and Laminar Burning Velocity of Atmospheric Pressure Premixed Ammonia/Hydrogen Flames. Int. J. Hydrog. Energy, 2021, vol. 46 (80), p. 39942–39954.
22. Dmitriev A. M., Osipova K. N., Knyazkov D. A., Gerasimov I. E., Shmakov A. G., Korobeinichev O. P. Comparative Analysis of the Chemical Structure of Ethyl Butanoate and Methyl Pentanoate Flames. Combust. Explos. Shock Waves, 2018, vol. 54 (2), p. 125–135.
23. Gerasimov I. E., Knyazkov D. A., Yakimov S. A., Bolshova T. A., Shmakov A. G., Korobeinichev O. P. Structure of Atmospheric-Pressure Fuel-Rich Premixed Ethylene Flame with and without Ethanol. Combust. Flame, 2012, vol. 159 (5), p. 1840–1850.
24. Shmakov A. G., KorobeinichevO. P., Rybitskaya I. V., Chernov A. A., Knyazkov D. A., Bolshova T. A., Konnov A. A. Formation and Consumption of NO in H2 + O2 + N2 Flames Doped with NO or NH3 at Atmospheric Pressure. Combust. Flame, 2010, vol. 157(3), p. 556–565.
25. Korobeinichev O. P., Shvartsberg V. M., Shmakov A. G., Knyazkov D. A., Rybitskaya I. V. Inhibition of Atmospheric Lean and Rich CH4/O2/Ar Flames by Phosphorus-Containing Compound. Proc. Combust. Inst., 2007, vol. 31 (2), p. 2741–2748.
26. Botha J. P., Spalding D. B., Egerton A. C. The Laminar Flame Speed of Propane/Air Mixtures with Heat Extraction from the Flame. Proc. R. Soc. Lond. Ser. Math. Phys. Sci., 1954, vol. 225(1160), p. 71–96.
27. Korobeinichev O. P., Ilyin S. B., Mokrushin V. V., Shmakov A. G. Destruction Chemistry of Dimethyl Methylphosphonate in H2/O2/Ar FlameStudied by Molecular Beam Mass Spectrometry. Combust. Sci. Technol., 1996, vol. 116–117 (1–6), p. 51–67.
28. Kee R. J., Rupley F. M., Miller J. A. Chemkin-II: a fortran chemical kinetics package for the analysis of gas-phase chemical kinetics. Livermore, CA (USA): Sandia National Labs., 1989.
29. Glarborg P., Miller J. A., Ruscic B., Klippenstein S. J. Modeling Nitrogen Chemistry in Combustion. Prog. Energy Combust. Sci., 2018, vol. 67, p. 31–68.
30. Okafor E. C., Naito Y., Colson S., Ichikawa A., Kudo T., Hayakawa A., Kobayashi H. Experimental and Numerical Study of the Laminar Burning Velocity of CH4–NH3–Air Premixed Flames. Combust. Flame, 2018, vol. 187, p. 185–198.
31. Coppens F. H. V., De Ruyck J., Konnov A. A. The Effects of Composition on Burning Velocity and Nitric Oxide Formation in Laminar Premixed Flames of CH4 + H2 + O2 + N2. Combust. Flame, 2007, vol. 149 (4), p. 409–417.
Рецензия
Для цитирования:
Осипова К.Н., Шмаков А.Г. Структура пламен смесей аммиак/водород/кислород/аргон при повышенных давлениях. Сибирский физический журнал. 2022;17(2):56-68. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2022-17-2-56-68
For citation:
Osipova K.N., Shmakov A.G. Flame Structure of Ammonia/Hydrogen/Oxygen/Argon Mixtures at High Pressure. SIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS. 2022;17(2):56-68. (In Russ.) https://doi.org/10.25205/2541-9447-2022-17-2-56-68
Просмотров:
303
Послать статью по эл. почте 