Исследование пароструйного сжигания в качестве способа достижения сверхнизких выбросов СО и NOx в камерах сгорания повышенного давления


Авторы

Копьев Е. П., Садкин И. С., Шадрин Е. Ю.*

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН, проспект Академика Лаврентьева, 1, Новосибирск, 630090, Россия

*e-mail: evgen_zavita@mail.ru

Аннотация

В статье экспериментально исследуется метод пароструйного сжигания топлива для низкой эмиссии СО и NOx при сжигании жидких углеводородных топлива применительно к камерам сгорания повышенного давления. Целью работы является адаптация перспективного метода сжигания применительно к задачам энерготехнологий и создания рабочего тела энергетических установок. Новизной метода являются бесконтактный распыл топлива паровой струей и реализация аналога ступенчатого сжигания за счет наличия камеры газогенерации, позволяющие получать сверхмалые выбросы NOx и СО при высокой полноте сгорания топлива. В работе экспериментальными методами определяются эффективные соотношения пар/топливо/воздух для достижения наилучших показателей работы устройства. Продуктами сгорания является газопаровая смесь с потенциалом использования в качестве рабочего тела для энергетических установок. Получены режимы, при которых выбросы оксидов азота и монооксида углерода не превышают 10 ppm.

Ключевые слова:

низкоэмиссионное сжигание; пароструйное сжигание; камера сгорания; сни- жение выбросов NOx; газопаровая турбина

Библиографический список

  1. Miller B. Fossil Fuel Emissions Control Technologies. Elsevier, 2015. DOI: 10.1016/C2014-0-00392-9 
  2. Ol’khovskii GG. The Most Powerful Power-Generating GTUs (a Review) // Thermal Engineering. 2021. Vol. 68. № 6. pp. 490–495. DOI: 10.1134/S0040601521060069 
  3. Adamou A., Turner J., Costall A. et al. Design, simulation, and validation of additively manufactured high-temperature combustion chambers for micro gas turbines // Energy Conversion and Management. 2021. Vol. 248. DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114805 
  4. Enagi I.I., Al-Attab K.A., Zainal Z.A. Combustion chamber design and performance for micro gas turbine application // Fuel Processing Technology. 2017. Vol. 166. pp. 258–268. DOI: 10.1016/j.fuproc.2017.05.037 
  5. Li Z., Zhang Y., Zhang H. Kinetics modeling of NO emission of oxygen-enriched and rich-lean-staged ammonia combustion under gas turbine conditions // Fuel. 2024. Vol. 355. DOI: 10.1016/j.fuel.2023.129509 
  6. Nada Y., Kidoguchi Y., Matsumoto M. et al. Effects of spacing between fuel and oxidizer nozzles on NOx emission from spray combustion furnace operating under various oxidizer temperatures // Fuel. 2024. Vol. 366. DOI: 10.1016/j.fuel.2024.131398 
  7. Chen J., Du J., Liu Y. et al. Numerical study of combustion flow field characteristics of industrial gas turbine under different fuel blending conditions // Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 251. DOI: 10.1016/j.applth ermaleng.2024.123573 
  8. Reale F., Sannino R. Water and steam injection in micro gas turbine supplied by hydrogen enriched fuels: Numerical investigation and performance analysis // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. Vol. 46. № 47. pp. 24366–24381. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.04.169 
  9. Abdelhafez A., Abdelhalim A., Abdulrahman G.A.Q. et al. Stability, near flashback combustion dynamics, and NOx emissions of H2/N2/air flames in a micromixer-based model gas turbine combustor // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Vol. 61. pp. 102–112. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.02.297 
  10. Hai T., El-Shafay A.S., Goyal V. et al. Techno-economic optimization and Nox emission reduction through steam injection in gas turbine combustion chamber for waste heat recovery and water production // Chemosphere. 2023. Vol. 342. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.139782 
  11. Rao A. Evaporative Gas Turbine (EvGT) / Humid Air Turbine (HAT) Cycles // Handbook of Clean Energy Systems. Wiley. 2014. pp. 1–18. DOI: 10.1002/9781118 991978.hces141 
  12. Horlock J.H. The Evaporative Gas Turbine [EGT] Cycle // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1998. Vol. 120. № 2. pp. 336–343. DOI: 10.1115/1.28 18127 
  13. Stecco S.S., Desideri U., Bettagli N. Humid Air Gas Turbine Cycle: A Possible Optimization // Volume 3A: General. American Society of Mechanical Engineers. 1993. DOI: 10.1115/93-GT-178 
  14. Brun K., Kurz R. Introduction to Gas Turbine Theory, 3rd ed. Solar Turbines Incorporated: San Diego, CA, USA. 2019. 263 p. 
  15. Kolp D.A., Moeller D.J. World’s First Full STIGTM LM5000 Installed at Simpson Paper Company // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1989. Vol. 111. № 2. pp. 200–210. DOI: 10.1115/1.3240237 
  16. Sadkin I.S., Mukhina M.A., Kopyev E.P. et al. Low- Emission Waste-to-Energy Method of Liquid Fuel Combustion with a Mixture of Superheated Steam and Carbon Dioxide // Energies (Basel). 2023. Vol. 16. № 15. DOI: 10.3390/en16155745 
  17. Anufriev I.S., Kopyev E.P., Alekseenko S.V. et al. New ecology safe waste-to-energy technology of liquid fuel combustion with superheated steam // Energy. 2022. Vol. 250. DOI: 10.1016/j.energy.2022.123849 
  18. Anufriev I.S., Kopyev E.P., Sadkin I.S. et al. Diesel and waste oil combustion in a new steam burner with low NOX emission // Fuel. 2021. Vol. 290. DOI: 10.1016/ j.fuel.2020.120100 
  19. Sadkin I.S., Kopyev E.P., Shadrin E.Yu. Study of n-heptane combustion atomized with superheated steam and at different excess air ratios in the gas generation chamber // Thermophysics and Aeromechanics. 2023. Vol. 29. № 6. pp. 999–1011. DOI: 10.1134/S086986432206021X 
  20. Anufriev I.S., Shadrin E.Yu., Kopyev E.P. et al. Experimental investigation of size of fuel droplets formed by steam jet impact // Fuel. 2021. Vol. 303. DOI: 10.1016/ j.fuel.2021.121183 
  21. Kopyev E.P., Sadkin I.S., Mukhina M.A. et al. Combustion of the Diesel Fuel Atomized with Superheated Steam under Conditions of a Closed Combustion Chamber // Combustion Explosion and Shock Waves. 2023. Vol. 59. № 4. pp. 488–496. DOI: 10.1134/S0010508223040123 
  22. ГОСТ 29328-92. Установки газотурбинные для при- вода турбогенераторов. Общие технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. 12 с. 
  23. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении, М.: Изд-во АН СССР, 1947. 376 с. 
  24. Zeldovich J. The Oxidation of Nitrogen Combustion and Explosions. Acta Physicochimica, URSS, 1946. 577 p. 
  25. DIN EN 267:2011-11. Automatic Forced Draught Burners for Liquid Fuels. German Institute for Standardisation, 2021. 
  26. Mukhina M.A., Sadkin I.S., Shadrin E.Yu. et al. Experimental Study of Kerosene Combustion Characteristics in a Jet of Superheated Steam with a Controlled Air Excess // Engineered Science. 2024. Vol. 31. DOI: 10.30919/es1195 
  27. Kayadelen H.K., Ust Y. Performance and environment as objectives in multi-criterion optimization of steam injected gas turbine cycles // Applied Thermal Engineering. 2014. Vol. 71. № 1. pp. 184–196. DOI: 10.1016/j.applth ermaleng.2014.06.052 
  28. Chen A.G., Maloney D.J., Day W.H. Humid Air NOx Reduction Effect on Liquid Fuel Combustion // Volume 1: Turbo Expo 2002. ASMEDC, 2002. pp. 917–925. DOI: 10.1115/GT2002-30163 
  29. Kotob M.R., Lu T., Wahid S.S. Experimental comparison between steam and water tilt-angle injection effects on NOx reduction from the gaseous flame // RSC Adv. 2021. Vol. 11. № 41. pp. 25575–25585. DOI: 10.1039/ D1RA03541J 
  30. Anufriev I.S. Kopyev E. P., Sadkin I. S. et al. NOx reduction by steam injection method during liquid fuel and waste burning // Process Safety and Environmental Protection. 2021. Vol. 152. pp. 240–248. DOI: 10.1016/j.ps ep.2021.06.016 

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2025