Investigation of the efficiency of using methane—hydrogen mixtures in fire-tube boilers

Abstract

The aim of the work is to simulate and analyze the efficiency of combustion of methane-hydrogen mixture in an environment with increased oxygen content, and in the limit -in pure oxygen, in a fire-tube boiler to reduce CO2emissions. To achieve this goal, the following problems were solved: development of a mathematical model of a three-pass fire-tube boiler for operation when burning a natural gas and a methane-hydrogen mixture in air and a mixture of air with pure oxygen, a numerical study of the boiler operation when burning a methane-hydrogen mixture with a hydrogen concentration from 0 to 40% and replacing air with oxygen from 0 to 100%, assessing the efficiency of equipment in these modes. The most important result is the confirmation of an increase in the efficiency of the fire-tube boiler when switching to combustion of methane-hydrogen mixture in an environment with in-creased oxygen content. The significance of the obtained results lies in determining the most effective parameters of equipment operation, contributing to an increase in the efficiency and environmental friendliness of the heat generation process. The study was conducted for two modes: combustion of a methane-hydrogen mixture with a hydrogen concentration of 0 to 40% in air and combustion of a me-thane-hydrogen mixture with a fixed hydrogen concentration in air with an oxygen concentration in the range from 0 to 100%.

Scopul lucrării este de a simula și analiza eficiența arderii amestecului metan-hidrogen într-un mediu cu conținut crescut de oxigen și, la limită, în oxigen pur, într-o centrală cu tuburi de fum pentru a reduce emisiile de CO2.Pentru a atinge acest obiectiv, au fost rezolvate următoarele probleme: dezvoltarea unui model matematic al unei centrale cu tuburi de fum cu trei treceri pentru funcționare la arderea gazelor naturale și a amestecului metan-hidrogen în aer și a unui amestec de aer cu oxigen pur, un studiu numeric al funcționării centralei la arderea amestecului metan-hidrogen cu o concentrație de hidrogen de la 0 la 40% și înlocuirea aerului cu oxigen de la 0 la 100%, evaluarea eficienței echipamentelor în aceste moduri.Cel mai important rezultat este confirmarea creșterii eficienței centralei cu tuburi de fum la trecerea la arderea amestecului metan-hidrogen într-un mediu cu conținut crescut de oxigen.Semnificația rezultatelor obținute constă în determinarea celor mai eficienți parametri de funcționare a echipamentelor, contribuind la creșterea eficienței și a respectului față de mediu al procesului de generare a căldurii.Studiul a fost realizat pentru două moduri: arderea unui amestec metan-hidrogen cu o concentrație de hidrogen de la 0 la 40% în aer și arderea unui amestec metan-hidrogen cu o concentrație fixă de hidrogen în aer cu o concentrație de oxigen în intervalul de la 0 la 100%.

Целью работы являетсямоделирование и анализ эффективности сжигания метано-водородной смеси в среде с повышенным содержанием кислорода, а в пределе –в чистом кислороде, в жаротрубном котле для снижения выбросов CO2.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: разработка математической модели трехходового жаротрубного котладля работы при сжигании природного газаи метано-водородной смесив воздухе и смеси воздуха с чистымкислородом, численное исследование работы котлапри сжигании метано-водородной смеси с концентрацией водорода от 0 до 40% и замещении воздуха кислородом от 0 до 100%, оценка эффективности работы оборудования в этих режимах.Наиболее важным результатом являетсяподтверждение повышения эффективности работы жаротрубного котлапри переходе на сжигание метано-водородной смесив среде с повышенным содержанием кислорода.Значимость полученных результатов состоит вопределении наиболее эффективных параметров работы оборудования, способствующих увеличению эффективности и экологичности процесса выработки тепловой энергии. В этом исследовании быларазработана и верифицированаматематическая модель жаротрубного котла. Создание модели проводилось с использованием программного продукта Boiler Designer. Исследование проводилось для двух режимов: сжигание метано-водородной смеси с концентрацией водорода от 0 до 40% в воздухе и сжигание метано-водородной смеси с фиксированной концентрации водорода в воздухе с концентрацией кислорода в диапазоне от 0 до 100%. При увеличении доли водорода КПД котлоагрегата практически не изменяетсяв связис тем, что при уменьшении расхода уходящих газов происходит снижение объемной теплоты сгорания топлива, что приводит к увеличению расхода топлива. При фиксированном количестве водорода и увеличении концентрации кислорода ввоздухепроисходит прирост КПД котлоагрегата и снижение удельного расхода условного топливапо сравнению с работой на чистом воздухе.