Экспериментальная оценка доли непрореагировавшего водорода при сжигании в среде кислорода

Использование водорода как энергоносителя в энергетике связано с возможностью повышения эффективности генерирующих мощностей, в частности АЭС, за счет перегрева рабочего тела паротурбинного цикла. При этом полученный от сжигания водорода с кислородом высокотемпературный пар смешивается с паром паротурбинного цикла АЭС. В этой связи в статье, с учетом работ других авторов, выполнен широкий круг исследований по повышению эффективности и конкурентоспособности АЭС благодаря паро-водородному перегреву рабочего тела паротурбинного цикла в условиях получения водорода электролизом воды за счет дешевой ночной электроэнергии от АЭС. При этом важную роль играют вопросы эффективного сжигания водорода с кислородом. Впервые исследуется состав получаемого пара без смешения с охлаждающим компонентом. Представлены экспериментальные данные по изучению доли непрореагировавшего водорода при его сжигании с кислородом без смешения получаемого пара с охлаждающим компонентом – паром или водой. Приведена схема экспериментальной установки, разработанной совместно с ОИВТ РАН, позволяющая производить отбор пара на химический анализ посредством хроматографа. Приведены результаты экспериментальных измерений основных параметров процесса сжигания водорода в кислороде при стехиометрическом расходе водорода и кислорода, а также при избытке кислорода, равном 2. Расчетно-теоретическим путем определена температура получаемого пара по длине жаровой трубы экспериментальной установки, в том числе в точке зажигания. За счет химического анализа пара определена доля непрореагировавшего водорода на начальном этапе горения водорода. Показано влияние избытка окислителя на начальное и конечное содержание непрореагировавшего водорода в паре. Представлена методика определения времени движения пара внутри жаровой трубы экспериментальной установки.

водород, АЭС, экспериментальная установка, недожог водорода, стехиометрическое горение, химический анализ пара, температура горения

1. Митрова Т., Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию / Т. Митрова, Ю. Мельников, Д. Чугунов. – Сколково (Московская школа управления), 2019. – 62 с.

2. Везироглу, Т.Н. Энергетическая система на основе термоядерного синтеза водорода / Т.Н. Везироглу // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 16–18. – С. 16–29.

3. Новотны, Я. На пути к устойчивой энергетике: использование атомной энергии для производства водорода / Я. Новотны [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 22–24. – С. 63–82.

4. , Д.О’М. Оценка стоимости водорода как носителя ветровой и солнечной энергии / О’М. Бокрис, Т. Н. Везироглу // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2018. – № 10–12. – С. 34–42

5. Скотт, Д.С. Почему водород? Потому что без водорода мы не сможем избежать климатической катастрофы / Д.С. Скотт // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2018. – № 19–21. – С. 34–39.

6. Везироглу, Т.Н. Энергетика XXI века: водородная энергетическая система / Т.Н. Везироглу, С. Шахин // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – №4–6. – С. 14–27.

7. Жизнин, С.З. Экономические аспекты развития ядерно-водородной энергетики в мире и в России / С.З. Жизнин, В.М. Тимохов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2020. – № 1–6. – С. 40–59.

8. Аминов Р.З. Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов. – М.: Наука, 2016. – 254 с.

9. Аминов, Р.З. Комбинирование АЭС с многофункциональными энергетическими установками / Р.З. Аминов, В.Е. Юрин, А.Н. Егоров. – М.: Наука, 2018. – 238 с.

10. Aminov, R.Z. Hydrogen oxygen steam generator for a closed hydrogen combustion cycle / R.Z. Aminov, A.N. Egorov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44. – No. 21. — P. 11161–11167.

11. Аминов, Р.З. Оценка системной эффективности водородного комплекса на основе замкнутого водородного цикла наАЭС / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – № 22–27. – С. 42–52.

12. Aminov, R.Z. Estimating the system efficiency of the multifunctional hydrogen complex at nuclear power plant / R.Z. Aminov, A.N. Bairamov, M.V. Garievskii // International journal of hydrogen energy.– 2020. – Vol. 45. – P. 14614–14624.

13. Bairamov, A.N. Life cycle assessment of hydrogen energy facility by criterion for maximum load frequency / A.N. Bairamov // International journal of hydrogen energy. – 2019. – Vol. 44. – P. 5696–5703.

14. Аминов, Р. З. Эффективность сжигания водорода с избытком окислителя в замкнутом водородном цикле на АЭС / Р.З. Аминов, А.Н. Егоров // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – № 22–27. – С. 53–63.

15. Locatelli, G. Load following of Small Modular Reactors (SMR) by cogeneration of hydrogen: A technoeconomic analysis / G. Locatelli [et al.] // Energy. – 2018. – Vol. 148. – C. 494–505.

16. Locatelli G. Cogeneration: An option to facilitate load following in Small Modular Reactors / G. Locatelli [et al.] // Progress in Nuclear Energy. – 2017. – Vol. 97. – P. 153–161.

17. Шапиро, В.И. Повышение маневренности ПГУ при использовании водородно-кислородных парогенераторов / В.И. Шапиро, С.П. Малышенко, Б.Ф. Реутов // Теплоэнергетика. – 2011. – № 9. – С. 35–40.

18. Пат. 2427048 РФ, МПК7 F 22B 1/26, G 21D5/16, F 01K3/18. Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции / Аминов Р.З, Байрамов А.Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З, Байрамов А.Н. – № 2009117039/06; заявл. 04.05.2009; опубл. 20.08.2011, Бюл. № 23. – 8 с.: ил.

19. Пат. 2488903 РФ,МПК7G21D5/16 (2006.01). Система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара / Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Юрин В.Е.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Юрин В.Е. – № 2012118303/07; заявл. 03.05.12 ;опубл. 27.07.13, Бюл. № 21. – 17 с.: ил.

20. Пат. 2459293 РФ, МПК7, G 21D1/00. Турбинная установка атомной электростанции (варианты) / Аминов Р.З, Байрамов А.Н., Егоров А.Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З, Байрамов А.Н., Егоров А.Н. – № 2011123255/07; заявл. 08.06.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23. – 10 с.: ил.

21. Haidn, O.J. Improved combustion efficiency of a H2/O2 steam generator for spinning reserve application / O.. Haidn, [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 1998. – Vol. 23. – Iss. 6. – Р. 491–497.

22. Малышенко С.П. Эффективность генерации пара в водородно-кислородных парогенераторах мегаваттного класса мощности / С.П. Малышенко [и др.] // Теплофизика высоких температур. – 2012. – T. 50. – № 6. – С. 820–829.

23. Aminov, R.Z. On the issue of investigating the kinetics of processes in dissociated water steam / R.Z. Aminov, A.I. Schastlivtsev, A.N. Bairamov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – No. 32. – P. 20843–20848.

24. Schastlivtsev, A. Experimental study of the processes in hydrogen-oxygen gas generator / A. Schastlivtsev, D. Dunikov, V. Borzenko // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44. – No. 18. – P. 9450–9455.

25. Schastlivtsev, A.I. Hydrogen-oxygen steam generator applications for increasing the efficiency, maneuverability and reliability of power production / A.I. Schastlivtsev, V.I. Borzenko // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 891. – No. 1. – P. 012213.

26. Stathopoulos, P. Steam generation with stoichiometric combustion of H2/O2 as a way to simultaneously provide primary control reserve and energy storage / P. Stathopoulos, T. Sleem, O. Paschereit. – 2017. – Vol. 205. – P. 692–702.

27. Прибатурин, Н.А. Экспериментальное исследование процесса горения смесей водородкислородиметан-кислород в среде слабоперегретого водяного пара / Н.А. Прибатурин [и др.] // Теплоэнергетика. – 2016. – № 5. – С. 31–36.

28. Борзенко, В. И. Эффективность генерации пара в водородно-кислородном парогенераторе киловаттного класса мощности / В. И. Борзенко, А. И. Счастливцев // Теплофизика высоких температур. – 2018. – Т. 56. – Вып. 6. – С. 946–952.

29. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. – М.: Наука, 1972. – 720 с.