Экспериментальная валидация кинетического механизма GRI-MECH 3.0 применительно к процессам энергохимической аккумуляции теплоты продуктов сгорания метана

Повышение эффективности использования топлива применительно к энергоемким производствам, таким как электро- и теплоэнергетика, металлургия и нефтехимия, является актуальной задачей. Одно из направлений повышения энергоэффективности на предприятиях данных отраслей – полезное использование бросовой теплоты отходящих газов. Перспективным технологическим направлением в данной области является энергохимическая аккумуляция – термохимический процесс, заключающийся в производстве из продуктов сгорания синтетического водородосодержащего топлива, при этом теплота продуктов сгорания используется для обеспечения протекания эндотермических реакций, например, реакций паровой конверсии. Однако, для разработки технических и технологических решений в области энергохимической аккумуляции необходимы надежные математические модели, в том числе – кинетические механизмы. Настоящее исследование посвящено валидации кинетического механизма GRI-MECH 3.0 применительно к процессам энергохимической аккумуляции теплоты продуктов сгорания метана. В качестве объекта исследования рассматривалась модель технологической печи, в которой осуществлялось кислородное горение метана с добавлением к продуктам его сгорания вторичного метана. Посредством численного моделирования и экспериментальных исследований было установлено протекание при данных условиях реакций паровой конверсии с образованием водорода и монооксида углерода, при этом кинетический механизм GRI-MECH 3.0 демонстрирует приемлемую точность при коэффициенте избытка окислителя, отнесенном к расходу первичного метана в диапазоне 0,9-1,1. При значительном недостатке кислорода результаты экспериментальных и численных исследований значительно расходятся, что обусловлено некоторой идеализацией процессов неполного сгорания метана в используемых моделях.

1. . Advancements in Ni and Co-based catalysts for sustainable syngas production via Bi-reforming of methane: A review of recent advances / S. M. W. ul Hasnain, A. S. Farooqi, B. V. Ayodele [et al.] // Journal of Cleaner Production. – 2024. – Vol. 434. – P. 139904.

2. . Integrated Power and Chemical Accumulation of High-Temperature Gaseous Waste from Industrial Installations / S. K. Popov, S. N. Petin, A. V. Burmakina, P. A. Stogov // Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 66. – № 2. – Pp. 116-126.

3. . Power-cost effectiveness of hydrogen generation using gas wastes from steel smelting / S. N. Petin, T. A. Vysochina, P. N. Grigoryev, S. K. Popov // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – Vol. 1683. – № 5. – P. 052014.

4. . The use of thermochemical recuperation in an industrial plant / S. K. Popov, I. N. Svistunov, A. B. Garyaev [et al.] // Energy. – 2017. – Vol. 127. – Pp. 44-51.

5. . Research and development of combinedcycle power plants operating on methane-hydrogen fuel mixtures with condensing heat-recovery steam generators / V. O. Kindra, I. A. Maksimov, P. A. Bryzgunov [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2025. – Vol. 190. – P. 152164.

6. . ashchenko, D. I. Thermochemical recovery of heat contained in flue gases by means of bioethanol conversion / D. I. Pashchenko // Thermal Engineering. – 2013. – Vol. 60. – № 6. – Pp. 438-443.

7. . Pashchenko, D. Efficiency of chemically recuperated gas turbine fired with methane: Effect of operating parameters / D. Pashchenko, R. Mustafin, I. Karpilov // Applied Thermal Engineering. – 2022. – Vol. 212. – P. 118578.

8. . Techno-economic evaluation of a thermochemical waste-heat recuperation system for industrial furnace application: Operating cost analysis / D. Pashchenko, I. Karpilov, M. Polyakov, S. K. Popov // Energy. – 2024. – Vol. 295. – P. 131040.

9. . Reforming of converter gas with coke oven gas for thermochemical energy storage and carbon dioxide emission reduction / B. Ren, G. Wang, H. Zuo [et al.] // Fuel Processing Technology. – 2021. – Vol. 222. – P. 106957.

10. . High-quality utilization of raw coke oven gas for hydrogen production based on CO2 adsorptionenhanced reforming / Z. Yu, H. Xie, R. Guo [et al.] // Energy. – 2024. – Vol. 305. – P. 132335.

11. . Thermodynamic analyses for recovering residual heat of high-temperature basic oxygen gas (BOG) by the methane reforming with carbon dioxide reaction / L. Chen, X. Shen, S. Xia, F. Sun // Energy. – 2017. – Vol. 118. – Pp. 906-913.

12. . Current situation and development prospects of metallurgical by-product gas utilization in China’s steel industry / P. Sui, B. Ren, J. Wang [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48. – № 74. – Pp. 28945-28969.

13. . Pashchenko, D. I. Thermochemical Recuperation of the Exhaust Gas Heat in CombinedCycle Units: Thermodynamic Analysis / D. I. Pashchenko // Thermal Engineering. – 2023. – Vol. 70. – № 1. – Pp. 48-54.

14. . Pashchenko, D. Thermodynamic equilibrium analysis of combined dry and steam reforming of propane for thermochemical waste-heat recuperation / D. Pashchenko // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – № 22. – Pp. 14926-14935.

15. . Pashchenko, D. Natural gas reforming in thermochemical waste-heat recuperation systems: A review / D. Pashchenko // Energy. – 2022. – Vol. 251. – P. 123854.

16. . Completion of Waste Heat Recovery and CO2 Conversion Simultaneously Based on the Flue Gas Chemical Recuperative Cycle: A Review / M. He, P. Zhou, X. Zhao, T. Wang // Energies. – 2025. – Vol. 18. – № 2. – P. 232.

17. . Lu, Y. R. A new semiempirical model for the heat and mass transfer inside a spherical catalyst in a stream of hot CH4 /H2 O gases / Y.R. Lu, D. Pashchenko, P. A. Nikrityuk // Chemical Engineering Science. – 2021. – Vol. 238. – P. 116565.

18. . Pashchenko, D. Experimental study of methane reforming with products of complete methane combustion in a reformer filled with a nickel-based catalyst / D. Pashchenko // Energy Conversion and Management. – 2019. – Vol. 183. – Pp. 159-166.

19. . Pashchenko, D. Combined methane reforming with a mixture of methane combustion products and steam over a Ni-based catalyst: An experimental and thermodynamic study / D. Pashchenko // Energy. – 2019. – Vol. 185. – Pp. 573-584.

20. . Maslennikov, V. M. Methane conversion in a mixture of enriched air and water vapor / V. M. Maslennikov, Yu. A. Vyskubenko, E. A. Tsalko // High Temperature. – 2014. – Vol. 52. – № 5. – Pp. 654-660.

21. . Non-Catalytic Partial Oxidation of Hydrocarbon Gases to Syngas and Hydrogen: A Systematic Review / I. A. Makaryan, E. A. Salgansky, V. S. Arutyunov, I. V. Sedov // Energies. – 2023. – Vol. 16. –№ 6. – P. 2916.

22. . GRI-Mech 3.0. – URL: http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/version30/text30.html (date accessed: 04.03.2026). – Text : electronic.

23. . Effect of heat loss on the syngas production by fuel-rich combustion in a divergent two-layer burner / J. Shi, X. Kong, J. Lv [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47. – № 34. – Pp. 15270-15281.