Analiza mechanizmu spalania gazu o składzie zbliżonym do składu gazu z procesu podziemnego zgazowania węgla - przegląd literatury

Gil, I.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Analiza mechanizmu spalania gazu o składzie zbliżonym do składu gazu z procesu podziemnego zgazowania węgla - przegląd literatury

Autorzy

Gil I.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

The analysis of combustion gas mechanism of a composition similar to the composition of gas from underground coal gasification process - literature review

Języki publikacji

Abstrakty

W procesie podziemnego zgazowania węgla (PZW) powstaje gaz, którego skład zależy od technologii zgazowania i parametrów procesu. Przykładowy skład gazu z PZW podano w (Stańczyk i in. 2011; Białecka 2008; Stańczyk 2008). Składał się on głównie z: ditlenku węgla (1-64 procent), wodoru (2, 41,2 procent) i tlenku węgla (1,3-33,2 procent). Pozostałe gazy to: metan (0,1-5,4 procent, etan (0,0-0,13 procent), tlen (-5,7 procent) i azot (0,-78,2 procent) (Stańczyk i in. 2011; Białecka 2008). Z analizy (Stańczyk 2008) wynika, że najbardziej ekonomiczne jest przetwarzanie otrzymanego niskokalorycznego gazu na energię elektryczną przez spalenie go w turbinie gazowej. Mechanizm spalania paliwa o niskiej wartości opałowej nie jest dobrze poznany. W literaturze znajdują się wprawdzie opisy badań mechanizmu spalania gazu syntezowego, ale opierają się one na reakcjach zachodzących podczas spalania wodoru i tlenku węgla (Frassoldati, Fravelli, Ranzi 2007; Starik i in. 2010). Natomiast gaz wytwarzany podczas podziemnego zgazowania węgla zawiera również metan (Stańczyk i in. 2011; Stańczyk 2008). Dlatego należałoby w rozpatrywanym mechanizmie uwzględnić także reakcje utleniania CH4. Mechanizm spalania metanu jest dobrze poznany1 (Miller, Bowman 1989; Kozlov 1959; Konnov 2009; Skjoth-Rasmussen i in. 2004; Westbrook, Dryer 1984). Choć badania procesu spalania metanu z dodatkami, tj. CO2, CO czy H2 lub gazów inertnych (azot czy argon) podejmowano na przestrzeni ostatnich lat [najstarsze źródło pochodzi z 1988 r. (Zhu, Egolfo-poulos, Law 1988)], to mechanizm zachodzącego procesu spalania pozostaje nadal przedmiotem dyskusji (Konnov, Dyakov 2005; Coppens, Konnov 2008; Chernovsky, Atreya, Im 2007; Le Cong, Dagaut 2007; U Cong, Dagaut, Dayma 2008; Le Cong, Dagaut 2008a). Dlatego w celu efektywniejszego wykorzysta-a gazu niskokalorycznego do zasilania turbin gazowych, konieczna jest analiza istniejących mechanizmów spalania metanu, wodoru oraz tlenku węgla, celem której będzie określenie reakcji dominujących w zachodzącym procesie jednoczesnego spalania H2, CH4, i CO oraz ustalenie wpływu CO2 i H2O na zachodzący proces. Dotychczas nie podjęto próby modelowania procesów spalania układów zawierających CH4/H2/CO/CO2/O2/N2/H2O, dlatego ważne jest poznanie mechanizmu zachodzącego procesu jako drogi do bezproblemowego modelowania spalania gazu z PZW w turbinach gazowych. W niniejszym artykule przedstawiono analizę istniejących mechanizmów spalania w układach zawierających CH4/H2/CO/CO2/O2/N2/H2O, ze szczególnym uwzględnieniem wpływu dodatków (CO2, CO, H2 i H20) na zachodzący proces spalania metanu.

The composition of the gas produced in the process of Underground Coal Gasification (USG) depends on the technology and operating parameters applied. It mainly composes with: carbon dioxidc (12-64 per cent), hydrogen (2,5-41,2 per cent) and carbon monoxide (1,3-33,2 per cent). The others are: methane (0,17-5,4 per cent), ethane (0,01-0,13 per cent), oxygen (0-5,7 per cent) and nitrogen (0,1-78,2 per cent) (Stańczyk et al. 2011; Białecka 2008; Stańczyk 2008). The analysis (Stańczyk 2008) clearly indicates that the combustion in the gas turbinę combustor is the most economical method for the utilization of UCG gas. The combustion mechanism of that Iow calorific value fuel is not well understood. In the literaturę we can found the combustion mechanisms of the synthesis gas, but they are based upon the combustion hydrogen and carbon monoxide (Frassoldati, Fravelli, Ranzi 2007; Starik et al. 2010). While, the UCG gas also contains methane (Stańczyk et al. 2011; Stańczyk 2008). Therefore, the combustion mechanism should also take into account the methane oxidation reactions scheme. The mechanism of methane combustion is well known2 (Miller, Bowman 1989; Kozlov 1959; Konnov 2009; Skjoth-Rasmussen et al. 2004; Westbrook, Dryer 1984). However, the mechanism of methane combustion with additives such as: C02, CO and H2or j inert gas (nitrogen or argon) is a relatively new topic [the oldest source is 1988 (Zhu, Egolfopoulos, Law 1988)] and the combustion mechanism is still discussed (Konnov, Dyakov 2005; Coppens, Konnov 2008; Chernovsky, Atreya, Im 2007; Le Cong, Dagaut 2007; Le Cong, Dagaut, Dayma 2008; Le Cong, Dagaut 2008a). Therefore, to more efficient use of the UCG gas to the turbinę sets, it requires the analysis the existing combustion mechanisms of methane, hydrogen and carbon monoxide. This analysis will identify the dominant chemical reactions which affect the H2, CH4, CO system combustion and determination the role of C02 and H2O as the additives in the combustion process. Because the previously numerical tests did not yield satisfactory results, therefore it is important to know the mechanism of this process, as a way to remove the difficulties involved in the modeling of the UCG gas combustion in the gas turbines. In this paper the analysis of the existing combustion mechanisms in the systems consising of I CH4/H2/CO/CO2/O2/N2/H2O was made and the additives effect in detail were discussed.

Słowa kluczowe

spalanie gazu zgazowanie węgla podziemne zgazowanie węgla spalanie metanu spalanie tlenku węgla spalanie wodoru

combustion gas coal gasification underground coal gasification combustion of methane combustion of carbon monoxide combustion of hydrogen

Wydawca

Główny Instytut Górnictwa

Czasopismo

Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko / Główny Instytut Górnictwa

Rocznik

2011

Tom

nr 3

Strony

25--35

Opis fizyczny

Bibliogr. 47 poz.

Twórcy

autor

Gil I.

Główny Instytut Górnictwa, gig@gig.eu

Bibliografia

1. Abián M., Giménez-López J., Bilbao R., Alzueta M.U. (2011): Effect of different concen-tration levels of CO2 and H2O on the oxidation of CO. Experiments and modeling. Procee-dings of the Combustion Institute Vol. 33, s. 317-323.
2. Anderlohr J.M., Piperel A., Pires da Cruz A., Bounaceur R., Battin-Leclerc F., Dagaut P., Montagne X. (2009): Influence of EGR compounds on the oxidation of an HCCI-dicsel sur-rogate. Proceedings of the Combustion Institute Vol. 32, s. 2851-2859.
3. Anderlohr J.M., Pires da Cruz A., Bounaceur R., Battin-Leclerc F. (2010): Thermal and kinetic impact of CO, CO2 and H2O on the postoxiadtion of IC-engine exhaust gascs. Combustion Science and Technology Vol. 182, s. 39-59.
4. Białecka B. (2008): Podziemne zgazowanie węgla. Podstawy procesu decyzyjnego. Katowice, Główny Instytut Górnictwa.
5. Brabbs T.A., Belles F.E., Brokaw RS. (1971): Shock-tube measurements of specific rea-tion rates in the branched-chain H2-CO-O2 system. Thirteenth Symposium (International) on Combustion. Pittsburgh, The Combustion Institute, s. 129-136.
6. Brabbs T.A., Brokaw R.S. (1975): Shock tube measurements of specific reaction rates in the branched chain CH4-CO-O2 system. Fifteenth Symposium (International) on Combustion. Pittsburgh, The Combustion Institute, s. 893-901.
7. Chernovsky M.K., Atreya A., Im H.G. (2007): Effect of CO2diluent on fuel versus oxidizer side of spherical diffusion flames in microgravity. Proceedings of the Combustion Institute Vol. 31, s. 1005-1013.
8. Chmielniak J. (2004): Technologie energetyczne. Gliwice, Wydaw. Politechniki Śląskiej.
9. Coppens F.H.V., Konnov A.A. (2008): The effects of enrichment by H2 on propagation speeds in adiabatic fiat and cellular premixed flames of CH4+O2+CO2. Fuel Vol. 87, s. 2866-2870.
10. de Joannon M., Cavaliere A., Faravelli T., Ranzi E., Sabia P., Tregrossi A. (2005): Analysis of process parameters for steady operations in methane mild combustion technology. Proceedings of the Combustion Institute Vol. 30, s. 2605-2612.
11. Dryer F.L., Glassman I. (1973): High-temperature oxidation of CO and CH4. Fourteenth Symposium (International) on Combustion. Pittsburgh, The Combustion Institute, s. 987-1003.
12. Frassoldati A., Fravelli T., Ranzi E. (2007): The ignition, combustion and flame structure of carbon monoxide/hydrogen mixtures. Note 1: Detailed kinetic modeling of syngas combustion also in presence of nitrogen compounds. International Journal of Hydrogen Energy Vol. 32, s. 3471-3485.
13. Gil I. (2009):Badanie mechanizmu spalania węglowodorowego paliwa gazowego w atmosferze powietrza rozcieńczonego spalinami w piecu wysokotemperaturowym. Praca doktorska. Gliwice, Politechnika Śląska.
14. Glarborg P., Bentzen L.B. (2008): Chemical effects of a high C02 concetration in oxy-fuel combustion of methane. Energy and Fuel Vol. 22, s. 291-296.
15. Konnov A. A. (2009): Implementation of the NCN pathway of prompt-NO formation in the detailed reaction mechanism. Combustion and Flame Vol. 156, s. 2093-2105.
16. Konnov A.A., Dyakov LV. (2005): Measurement of propagation speeds in adiabatic cellu-lar premixed flames of CH4+02+C02: Experimental Thermal and Fluid Science Vol. 29, s. 901-907.
17. Koroll G.W., Mulpuru S.R. (1986): The effect of dilution with steam on the burning veloci-ty and structure of premixed hydrogen flames. Twenty-first Symposium (International) on Combustion. Pittsburgh, The Combustion Institute, s. 1811-1819.
18. Kozlov G.I. (1959): On high-temperature oxidation of methane. Seventh Symposium (International) on Combustion. Pittsburgh, The Combustion Institute, s. 142-149.
19. Le Cong T., Dagaut P. (2007): Kinetic of natural gas, natural gas/syngas mixtures oxidation and effect of burnt gas recirculation: experimental and detailed modeling. Proceedings of GT2007 ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea an Air, Montreal, Canada, May 14-17, GT2007-27146, s. 1-9.
20. Le Cong T., Dagaut P. (2008a): Experimental and detailed kinetic modeling of the oxida-tion of methane/syngas mixtures and effect of carbon dioxide addition. Combustion Science and Technology Vol. 180, s. 2046-2091.
21. Le Cong T., Dagaut P. (2008b): korespondencja prywatna.
22. Le Cong T., Dagaut P. (2009a): Experimental and detailed modeling study of the effect of water vapor on the kinetics of combustion of hydrogen and natural gas, impact on NOx. Energy and Fuel Vol. 23, s. 725-734.
23. Le Cong T., Dagaut P. (2009b): Oxidation of H2/CO2 mixtures and effect of hydrogen ini-tial concentration on the combustion of CH4 and CH4/CO2 mixtures: Experimental and modeling. Proceedings of the Combustion Institute Vol. 32, s. 427—435.
24. Le Cong T., Dagaut P., Dayma G. (2008): Oxidation of natural gas, natural gas/syngas mixtures, and effect of burnt gas recirculation experimental and detailed kinetic modeling. The Journal of Engineering Gas Turbines and Power Vol. 130, s. 041502-041502-10.
25. Liu Ch.-J., Mallinson R., Lobban L. (1998): Nonoxidative methane conversion to acetylene over zeolite in a Iow temperature plasma. The Journal of Catalysis Vol. 179, s. 326-334.
26. Liu D.D.S., MacFarlane R. (1983): Laminar burning velocities of hydrogen-air and hydro-gen-air-steam flames. Combustion and Flame Vol. 49, s. 59-71.
27. Machrafi H., Cavadias S., Guibert P. (2008): An experimental and numerical investigation on the influence of external gas recirculation on the HCCI autoignition process in an en-gine: thermal, diluting and chemical effects. Combustion and Flame Vol. 155, s. 476-489.
28. Mazas A.N., Fiorina B., Lacoste D.A., Schuller T. (2011): Effect of water addition on the laminar burning velocity of oxygen-enriched methane flames. Combustion and Flame (w druku).
29. Miller J.A., Bowman C.T. (1989): Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion. Progress in Energy and Combustion Science Vol. 15, s. 287-338.
30. Miller R. (1989): Zjawiska katalityczne w procesie utleniania węglowodorów w strefie popłomiennej. Praca doktorska. Wrocław, Politechnika Wrocławska.
31. Mitani T. (1995): Ingition problems in scramjet testing. Combustion and Flame Vol. 101, s. 347-359.
32. Skjøth-Rasmussen M.S., Glarborg P., Østberg M., Johannessen J.T., Livbjerg H., Jensen A.D., Christensen T.S. (2004): Formation of polycyclic aromatic hydrocarbons and soot in fuel-rich oxidation of methane in laminar flow reactor. Combustion and Flame Vol. 136, s. 91-128.
33. Smith G.P., Golden D.M., Frenklach M., Moriarty N.W., Eiteneer B., Goldenberg M., Bowman C.T., Hanson R.K., Song S., Gardiner W.C., Jr, Lissianski V.V., Zhiwei Qin: http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/2011.
34. Stańczyk K. (2008): Czyste technologie użytkowania węgla. Katowice, Główny Instytut Górnictwa.
35. Stańczyk K., Howaniec N., Smoliński A., Świądrowski J., Kapusta K., Wiatowski M., Grabowski J., Rogut J. (2011): Gasification of lignite and hard coal with air and oxygen enriched air in a pilot scale ex situ reactor for underground gasification. Fuel Vol. 90, s. 1953-1962.
36.Starik A.M., Titova N.S., Sharipov A.S., Kozlov V.E. (2010): Syngas oxidation mechanism. Combustion, Explosion, and Shock Waves Vol. 46, s. 491-506.
37. Subramanian G., Pires da Cruz A., Bounaceur R., Vervisch L. (2007): Chemical impact of CO and H2 addition on the auto-ignition delaz of homogeneous n-heptane/air mixtures. Combustion Science and Technology Vol. 179, s. 1937-1962.
38. Tabayashi K., Bauer S.H. (1979): The early stages of pyrolysis and oxidation of methane. Combustion and Flame Vol. 34, s. 63-83.
39. Tomeczek J. (1993): Der Einfluss der Brennerparameter auf das NOx - Minderungspotenti-al gasbeheizter Industrieofen. Gas Wärme International Vol. 42, s. 563-570.
40. Tomeczek J., Góral J., Gradoń B. (1995): The GAFT burner for reducing NOx in gas-fired high-temperature industrial furnaces. Journal Institute of Energy Vol. 68, s. 178-183.
41. Wang B.L., 01ivier H., Grönig H. (2003): Ingition of shock-heated H2-air-steam mixtures. Combustion and Flame Vol. 133, s. 93-106.
42. Westbrook Ch.K., Dryer F.L. (1984): Chemical kinetic modeling of hydrocarbon combustion. Progress in Energy and Combustion Science Vol. 10, s. 1-57.
43. Westenberg A.A., Fristrom R.M. (1961): Methane-oxygen flame structure. IV. Chemical kinetic considerations. The Journal of Physical Chemistry Vol. 65, s. 591-601.
44. Wünning J.A., Wünning J.G. (1992): Brenner für die flammlose Oxidation mit geringer NO-Bildung auch bei hochster Luftvorwarmung. Gaswarme International Vol. 41 (10), s. 438^144.
45. Yossefi D., Ashcroft S.J., Hacohen J., Belmont M.R., Thorpe I. (1995): Combustion of methane and ethane with CO2 replacing N2 as a diluent. Modelling of combined effects of detail. Fuel Vol. 74 (7), s. 1061-1071.
46. Zhu D.L., Egolfopoulos F.N., Law CK. (1988): Experimental and numerical determination of laminar flame speeds of methane/(Ar, N2, CO2)-air mixture as functions of stoichiome-try, pressure, and flame temperature. Twenty Second Symposium (International) on Combustion. Pittsburgh, The Combustion Institute, s. 1537-1545.
47. http://www.mae.ucsd.edu/~combustion/cermech/ (dostęp: 2005).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BSL1-0017-0023