В последние десятилетия проблема изменения климата и ухудшения экологической ситуации стала одной из наиболее актуальных задач для человечества. Растущий спрос на энергию, наряду с истощением ископаемых ресурсов и ужесточением норм по выбросам парниковых газов, подстегивает научное сообщество к поиску альтернативных источников топлива. В этом контексте особое внимание уделяется сжиганию низкоуглеродных и безуглеродных топлив, таких как водород и смеси с метаном, в газопоршневых и газотурбинных установках.
Данная статья представляет собой анализ существующих исследований и практического опыта использования альтернативных топлив в малой энергетике и на транспорте. В ней рассматриваются результаты испытаний смесей метана и водорода, а также водорода и аммиака, с акцентом на их влияние на снижение выбросов углекислого газа (CO₂), угарного газа (CO) и окислов азота (NOₓ). Важным аспектом исследования является сравнение удельных выбросов различных видов топлива и изучение особенностей сгорания, которые позволяют улучшить эколого-экономические показатели генераторов на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газовых турбин (ГТ).
Данное исследование проводилось группой экспертов из различных областей, что подчеркивает важность междисциплинарного подхода в разработке устойчивых энергетических решений. Учитывая актуальность вопросов, связанных с переходом на чистые технологии, работа представляет интерес для специалистов в области энергетики, экологии и промышленности, а также для всех заинтересованных в будущем энергетического сектора.
Б.А. Рыбаков, к.т.н. - главный технолог
М.А. Савитенко - директор
О.А. Сиделев- руководитель департамента,
А.И. Счастливцев, к.т.н. - ведущий научный сотрудник АНО «Водородные технологические решения»
ОО «Хуасюнь Групп Ру»
ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН
В статье рассматривается опыт сжигания низкоуглеродных и безуглеродных топлив на транспорте и в судовых энергоустановках с целью определения возможности применения отработанных решений в малой энергетике.
Проведен обзор статей, посвященных сжиганию смеси метана и водорода, а также смесиводорода и аммиака в газопоршневых и газотурбинных установках малой мощности.
При анализе публикаций был сделан акцент на определение параметров, которые приводят к снижению СО2, СО и NОх. Приведено сравнение удельных массовых выбросов СО2 на тонну дизельного топлива, пропана, бутана,СПГ, этанола и метанола, а также сравнение отношения массы СО2 перечисленных выше топлив к массе СО2, образующегося при сжигании эквивалентной массы метана.
Описаны особенности процесса сжигания водорода, аммика, смесей метана и водорода,а также смеси водорода и аммиака.
Анализ приведенных результатов показывает, что в контексте программы по снижению выбросов в атмосферу парниковых газов и вредных веществ век генераторных установок на базе ДВС и ГТУ не закончен.
Быстрое истощение запасов ископаемого топлива из-за растущего спроса на энергию приводит к росту цен на нефтяное топливо. Кроме того, строгие нормы выбросов в целях энергоэффективности и экологические требования увеличивают количество исследований по использованию альтернативных видов топлива.
Согласно отчету комиссии Европейского союза «Белая книга», в 2050 г. планируется сократить на 60% выбросы парниковых газов, образующихся при транспортировке, по сравнению с 1990 г. Установленные нормативными актами пределы выбросов постоянно снижаются по мере развития технологий, но выбросы твердых частиц увеличились.
Параллельно с этим процессом продолжаются исследования альтернативных, экологически чистых видов топлива в автомобильной промышленности. Из-за низкой плотности энергии в аккумуляторах и инфраструктурных проблем электромобили пока не получили широкого распространения, поэтомузависимость от автомобилей с ДВС в ближайшем будущем сохранится.
В последнее время исследователи склоняются к альтернативным видам топлива,таким как водород, метан, биогаз, этанол и метанол. Использование газообразного топлива стимулируется разработкой легких баллонов для хранения его под высоким давлением и низкой стоимостью. Выбросы СО, твердых частиц, а также СО2 значительно сокращаются благодаря низкому соотношению углерода и водорода. Выбросы МОх снижаются благодаря более низкой температуре в цилиндрах.
Свойства метана делают его пригодным для использования в двигателях с искровым зажиганием. Он обладает высоким октановым числом, а следовательно, высокой температурой самовоспламенения и антидетонационными свойствами. Кроме того, двигатели с искровым зажиганием, работающие на метане, могут работать с более высокой степенью сжатия, обеспечивая таким образом более высокую тепловую эффективность. Медленную скорость горения метана можно улучшить путем смешивания метана с водородом, скорость горения которого в семь раз выше, чем у метана в стехиометрических условиях. Его широкие пределы воспламеняемости и низкий зазор тушения способствуют увеличению предела бережливой эксплуатации двигателя, повышая тепловую эффективность.
Водород — это безуглеродное альтернативное топливо, которое после сгорания выделяет только водяной пар. Водород может быть получен из ископаемого топлива или путем преобразования биомассы, электролизом или прямым термохимическим преобразованием солнечной энергии. Кроме того, он является чрезвычайно чистым и безвредным для окружающей среды топливом, когда производится из возобновляемых источников энергии, его также можно использовать в качестве носителя вторичной энергии, например электрической.
В работе процессы внутри цилиндра, происходящие в малотоннажном двигателе GDI, были охарактеризованы с помощью комбинированного анализа оптических и расчетных данных, таких как давление в цилиндре и скорость тепловыделения. Также были измерены нормативные выбросы выхлопных газов, проведены экспериментальные исследования для изучения влияния водорода на процесс сгорания. Двигатель заправлялся чистым метаном и смесями с 20 и 40% объемным содержанием водорода в метане и работал при стехиометрических условиях. Был проведен комплексный анализ сгорания метана и водородно-метановых смесей. Экспериментальные исследования проводились на малолитражном двигателе с прозрачными стенками цилиндра, с непосредственным впрыском топлива и искровым зажиганием. Двигатель работал при частоте вращения 2000 об/мин (широко открытая дроссельная заслонка).
В процессе сгорания измерялось давление в цилиндре и проводилась высокоскоростная съемка 2D-цифровых изображений, которые позволяют отслеживать развитие струи и распространение пламени в камере сгорания с высоким временным разрешением. Выбросы выхлопных газов измерялись с помощью обычных газоанализаторов. При увеличении содержания водорода возрастает максимальное давление в цилиндре, а продолжительность горения сокращается. Эти результаты свидетельствуют о том, что добавление водорода приводит к увеличению скорости пламени, повышая эффективность — двигателя. Оптические методы дают возможность лучше понять влияние водорода на сгорание метаВ частности, данные хемилюминесцентной 2D-цифровой визуализации показали, что скорость распространения пламени увеличивается увеличением содержания водорода и что распространение фронта пламени более равномерное во всех направлениях. Лучшая гомогенизация смеси наблюдается в камере сгорания, когда в топливе присутствует водород, — это обусловлено более высокой диффузионной способностью этого газа по отношению к метану. В частности, при заправке метаном камера сгорания характеризуется зоной с богатой или обедненной смесью, что замедляет распространение фронта пламени.
С другой стороны, водородно-метановая смесь при сгорании более однородна и оказывает более эффективное влияние на скорость распространения пламени. Дальнейшего улучшения тепловой эффективности можно добиться за счет оптимизации момента опережения зажигания. Этот анализ подчеркивает, что прямой впрыск смесей метан / водород позволяет добиться более эффективного сгорания, а затем и снижения выбросов загрязняющих веществ, по сравнению с мета- ном и бензином, благодаря свойствам водорода, усиливающим образование смеси и повышающим скорость распространения фронта пламени.
В работе основываясь на высокой степени сжатия, были проведены фундаментальные эксперименты по изучению роли непосредственного впрыска водорода в условиях сгорания от стехиометрических до обедненных. Были проведены синхронные измерения давления в цилиндре и оптическая визуализация пламени для анализа изменений от цикла к циклу тепловой эффективности и эволюции пламени. Результаты свидетельствуют, что по мере добавления водорода колебания от цикла к циклу уменьшаются и тепловая эффективность повышается за счет сокращен- ной продолжительности горения. Изображение горения показывает, что значительное положительное влияние оказывает непосредственный впрыск водорода, который способствует первоначальному образованию ядра пламени и раннему распространению пламени. Следует отметить, что увеличение доли водо- рода также приводит к снижению образования выбросов NOx, при объемном содержания водорода в метане менее 60%.
При использовании водорода в газовых турбинах выбросы NOx, наоборот увеличиваются из-за повышенных температур сгорания и статической и динамической нестабильности пламени. Эти проблемы требуют модификации камер сгорания газовых турбин, предназначенных для использования углеводородного топлива. В нескольких работах исследовались эффекты добавления водорода на уровне компонентов, Одну из первых работ выполнил Жюсте, где к керосину добавлялось небольшое количество водорода (до 4% по объему) для исследования выбросов NOx и СО. Было обнаружено, что при впрыске водорода в зону первичного сгорания в камере сгорания уровень СО снижается, в то время как концентрации NОх остаются примерно постоянными. В работе исследовалось, как влияет добавление водорода (до 100% по объему) к природному газу на выбросы NОx, в камере сгорания без предварительного смешивания в турбине мощностью 10 МВт. Используя экспериментально полученные данные о концентрации NOx, авторы разработали эмпирическую модель для ее точного прогнозирования при различных давлениях на входе в камеру сгорания и температурах на выходе.
В работе авторы исследовали различные концентрации синтез-газа (H2 и СО) в камере сгорания. Во время эксперимента произошел серьезный обратный эффект, когда концентрация водорода в топливной смеси превысила 60% и камера сгорания была повреждена, что подчеркивает необходимость исследования ее конструкции для обеспечения стабильной работы при сжигании топлива с высокой концентрацией водорода.
В работе , где исследовалась производительность простой рекуперативной газовой турбины мощностью 50 МВт, работающей на природном газе и водороде, отмечено различие в термическом и эксергетическом КПД в сторону их увеличения при использовании водорода. Кроме того, подчеркнуто различие в производстве и потреблении электроэнергии турбиной и компрессором соответственно, исследовано влияние давления на входе турбины на выбросы и производительность системы. К сожалению, в этом исследовании рассматривались только чистые виды топлива (H2 и CH4) и не уделялось внимания смешиванию водорода и природного газа, что является ключевой темой работ в этой области.
Транспортная знергетика
Мировая экономика продолжает расти, что. вызывает рост мировой торговли и усиливает влияние транспортной системы и, главным образом, ее основной компоненты — транспортировки грузов морем. Согласно отчету United Nations Conference on Trade and Development (UNCTAD), свыше 70 % стоимости мировой торговли перевозится на борту судов [15]. Повышение эффективности использования потенциала энергоносителей в совокупности с минимизацией ущерба окружающей среде — стандарт проектирования энергетического оборудования в современном мире.
В связи с этим требования законодатель- ных актов IMO (International Maritime Organization) жестко регламентируют выбросы вредных веществ от объектов судоходства. ‘Согласно резолюциям IМО, для каждого нового судна валовой вместимостью < 400 тонн необходимо определять требуемый (Required) и достижимый (Attained) конструктивный индекс энергетической эффективности судна EEDI (Energy Efficiency Design Index), а также операционный индекс ЕЕOI (Energy Efficiency Operational Index) при проектировании, постройке и эксплуатации судна [16]. ЕЕDI вычисляется в зависимости от типа судна и дедвейта с учетом поправочного коэффициента, который постепенно будет ужесточаться вплоть до 2025 г. Достижимый ЕЕDI вычисляется в соответствии с методикой IМО и должен быть больше или равен требуемому. Физический смысл индексов идентичен и представляет собой отношение массы про- изведенного энергетической установкой судна парникового газа СО2 к величине транспортной работы судна, г СО2/т-миль:
EDI = CO2 emission/ Transport Work = (1) = Engine Power x SFC x CF / (DWTxSpeed).
Требования IМО непосредственно связаны с повышением эффективности использования энергии топлива в судовой энергетике и применением альтернативных топлив. Это формирует запрос практики на адаптацию энергосберегающих технологий в судовую энергетику, разработку перспективных схем транспортных энергокомплексов, а также на исследование процессов в судовом энергетическом оборудовании. Современные малооборотные дизельные двигатели (МОД) являются основой судовой энергетики. Большая агрегатная мощность и КПД, превышающий 50 %, позволяют применять такие двигатели на большинстве типов морских транспортных судов [17]. Достаточно широко в судовой энергетике представлены и среднеоборотные (СОД) дизельные двигатели с механической или электрической передачей мощности на движитель. Некоторое распространение на коммерческом флоте получили турбинные установки, в том числе с газотурбинными двигателями (ГТД). Так, только компания GE, основной производитель морской газотурбинной техники (43 % рынка), поставила 86 ГТД для 47 газотурбинных и комбинированных установок коммерческих судов.
Утилизация вторичных энергоресурсов тепловых двигателей позволяет повысить эффективность использования энергии топлива в судовой пропульсивной установке. Анализ перспективных путей повышения энергоэффективности выявил термохимические технологии, предусматривающие конверсию углеводородных и альтернативных топлив, преобразование энергии в металлогидридных утилизационных установках, а также использование плазмохимических систем горения [18]. К этой группе относятся энергоустановки с термохимической конверсией углеводородных топлив за счет вторичных энергоресурсов тепловых двигателей. Физическую основу таких установок формирует совокупность процес- сов, в результате которых под влиянием тепла вторичных энергоресурсов, отбираемого от них в утилизационном устройстве, осуществляются реакции химического преобразования топлива с образованием синтез-газа. При этом уменьшается расход топлива и снижаются выбросы парниковых газов [17]. Исследования о применимости таких технологий проводятся достаточно широко, но в боль- шей мере касаются стационарной энергетики и наземного транспорта. Для большинства транспортных судов основная составляющая выбросов СО2 продуцируется двигателем. Как видно из анализа формулы, сокращение выбросов СО2 может быть достигнуто как уменьшением рас- хода топлива (Engine power x SFC), так и применением топлива с низким содержани- ем углерода (учитывается индексом СF). В условиях допущения, что мощность силовой установки, дедвейт и скорость судна могут быть приняты постоянными, влиять на конструктивный индекс энергетической эффек- тивности судна EEDI может только удельный расход топлива SFC и коэффициент содержа- ния углерода в топливе СF:
EEDI = K x SFC x CF где К = мощность двигателя / DWTЧ скорость, кВт /т-миль.
Удельный расход топлива обратно пропорционально зависит от низшей теплотворной способности топлива LCV (Lawyer Calorific Value). Таким образом, при принятых допущениях индекс ЕЕDI является функцией от характеристик топлива:
ЕEDI = i (CF/LCV)
Наиболее широко в качестве топлива для судовых двигателей представлено тяжелое топливо НFO. С учетом того, что нормативные требования IMO к эмиссии СО2 ужесточаются на каждом новом этапе, применение топлива НFO на этапах II (2020-2024 гг.) и III (с 2025 г.) без дополнительного громоздкого оборудования и дорогостоящих мероприятий представляется бесперспективным. В настоящее время ведущие производители судовых дизельных двигателей адаптировали свою продукцию для работы на метане и других альтернативных видах топлива.
Представляет интерес сопоставление характеристик, влияющих на индекс энергетической эффективности судна, для основного и альтернативных судовых видов топлива. Применение газообразных топлив СУГ (LPG) и СПГ (LNG) позволяет, при прочих равных условиях, снизить индекс EEDI на 15...17 % (пропан, бутан) и 26% соответственно, по сравнению с использованием НFO. При работе двухтопливных малооборотных дизельных двигателей на газообразном топливе около 3…5 % приходится на запальную дозу жидкого топлива («пилотное» топливо), которым является дизельное топливо. Газообразное топливо подается в двигатель под высоким давлением. Затраты мощности на привод компрессорной установки подачи газообразного топлива могут составлять до 2,8…3.0 % мощности двигателя [18]. С учетом этих факторов применение в качестве судового топлива бутана, вместо традиционного НFО, обеспечивает снижение индекса EEDI на 13 %, пропана — на 15%, а сжиженного природного газа — на 24%.
Несмотря на то что метанол и этанол является топливами с низким содержанием углерода, их применение сдерживает малая низшая теплотворная способность.
Ниже приведено сравнение удельных выбросов СО2 и Н2О при сжигании метанола и метана:
СНЗОН + 1,5 О2 = СО2 + 2 Н2О + 227 МДж (тепловой энергии).
При сжигании 1 кг метанола образуется 1,375 кг СО2 и 1,125 кг Н2О и выделяется 19,9 МДж тепловой энергии.
СН4 +2 02 = СО2 + 2 Н20 + 50 МДж (тепловой энергии).
При сжигании 1 кг метана образуется 2,75 кг СО2 и 2,25 кг Н2О и выделяется 50 МДж тепловой энергии.
Для получения 50 МДж тепловой энергии потребуется 2.2 кг метанола. Соответственно, при сжигании 2,2 кг метанола образуется З кг СО2 и 2,5 кг Н2О, что превышает удельные выбросы СО2 и Н2О, образующиеся при сжигании метана, на 10%.
Сжигание низкоуглеродных и безуглеродных видов топлива в ГТУ малой мощности
ГТУ малой мощности испытаны на различных видах топлива, включая биогаз, коксовый, фосфорный и цинковый газ, попутный нефтяной газ, мазут, природный газ, смесь метана и водорода, а также смесь водорода и аммиака.
Ниже представлены результаты испытаний ГТУ на смеси метана и водорода, а также на смеси водорода и аммиака, и значения мощностей ГПУ и концентраций оксидов азота в выхлопных газах при сжигании природного газа. Камера сгорания предварительного смешения с «сухим» подавлением оксидов азота.
ГТУ имеют увеличенную длину жаровой трубы, а также увеличенные диаметры отверстий для подвода основного топлива с целью улучшения качества смешения.
При базовой нагрузке ГТУ выбросы NOx приведенные к концентрации кислорода 15%, не превышают значений, а выбросы СО не превышают 10 ppm.
В новой камере сгорания на испытательном стенде при сжигании природного газа достигну- та концентрация оксидов азота 9,4 ppm при 15% содержания О2.
Характеристики смеси водорода и метана
При увеличении доли водорода в топливной смеси возрастают: скорость пламени, время реакции, время задержки самовоспламенения, толщина ламинарного пламени, адиабатическая температура пламени.
При определенных значениях концентрации водорода в смеси могут произойти: проскок пламени, термоакустические пульсации пламени, самовоспламенение, увеличение выбросов NOx.
Исследования по сжиганию метано-водородных смесей
При добавлении водорода к метану увеличивается скорость распространения пламени. Закалка в ступени предварительного смешения приводит к перегреву или даже уничтожению вращения факела.
Закалки можно избежать путем увеличения скорости потока в ступени предварительного смешения и уменьшением коэффициента избытка воздуха.
Подмешивание водорода к метану приводит к расширению фронта пламени и ускорению процесса сжигания. Длина факела уменьшается, и центр выделения тепла смещается вверх по потоку.
Особенности сжигания аммиака
При сжигании аммиака нужно отметить следующие особенности:
- медленное распространение пламени;
- низкая температура сжигания;
- низкая эффективность сжигания, легко тушится, легко хранится и транспортируется;
- плохо горит в воздухе;
- ламинарная скорость распространения пламени намного ниже, чем у обычных топлив;
- обычно используются методы диффузионного горения;
- при сжигании аммиака (NH3) образуются топливные NOx, поскольку в аммиаке много азота (N).
Сжигание смеси аммиака и водорода
Еще в 70-х годах прошлого века были попытки сжигания аммиака в ГТУ, но из-за плохих результатов это направление исследований было остановлено. Недавно, в связи с разработками, связанными по углеродной нейтральности, эти работы были возобновлены. Интерес к аммиаку в качестве топлива возник потому, что он является носителем водорода.
При добавлении водорода к аммиаку ламинарная скорость распространения пламени воз- растает по экспоненте от доли водорода в смеси. Также существенно увеличивается интенсивность горения. Водород решает про- блему низкой интенсивности горения и узкого диапазона границ воспламенения газообразного аммиака, уменьшает длину факела и снижает недожог аммиака.
Водород и аммиак в смеси хорошо дополняют друг друга, что сокращает расходы на разработку специализированной камеры сгорания ГТУ.
Скорость распространения пламени смеси 35% NH3 и 65% H2 на 10...20 % выше, чем скорость распространения пламени природного газа.
При одинаковом коэффициенте избытка воздуха адиабатическая температура пламени смеси 35 % NH3 и 65 % Н2 на 150К выше, чем адиабатическая температура пламени природного газа. При таком соотношении водорода и аммиака достигается низкая интенсивность горения, а срыв пламени и неполное сгорание топлива — маловероятны.
Выводы
Анализ приведенных выше результатов показывает, что в контексте программы по снижению выбросов в атмосферу парниковых газов век генераторных установок на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установок (ГТУ) не закончен. Требуется проведение интенсивных исследований по сжиганию низкоуглеродных и без- углеродных видов топлива в ДВС и ГТУ.