Study of steam addition to reduce clean emissions from combustion of gaseous fuel in a low-power atmospheric burner

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

The efficiency of steam addition is studied in relation to the problem of reducing nitrogen and carbon oxide emissions for low-power atmospheric burners using the example of gaseous fuel combustion. Thermal and environmental characteristics of gaseous fuel combustion are experimentally determined when it is supplied to the base of a high-speed jet of superheated steam as a method of low-emission combustion. During the experiment, the completeness of fuel combustion, gas analysis of exhaust gases, and average temperature along the flame symmetry axis are measured. The results demonstrate that the supply of superheated steam can significantly reduce the concentration of harmful substances in combustion products (NOx and CO by 1.6 and 1.8 times) compared to blowing heated air, while maintaining high completeness of fuel combustion due to the reaction of hydrocarbon fuel with steam.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

Maria Mukhina

S. S. Katuteladze Institute of Thermophysics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: mary-andr@yandex.ru

Research Engineer

Rússia, Novosibirsk

Evgeny Kopyev

S. S. Katuteladze Institute of Thermophysics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: kopyeve@itp.nsc.ru

Candidate of Sciences in Technology, Head of the Laboratory

Rússia, Novosibirsk

Ivan Sadkin

S. S. Katuteladze Institute of Thermophysics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: sadkinvanya@mail.ru

Research Engineer

Rússia, Novosibirsk

Evgeny Shadrin

S. S. Katuteladze Institute of Thermophysics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: evgen_zavita@mail.ru

Candidate of Sciences in Physics and Mathematics, Junior Researcher

Rússia, Novosibirsk

Bibliografia

  1. World Energy Outlook. 2022. International Energy Agency. Available at: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (accessed April 4, 2023).
  2. Kosoi, A. S., Y. A. Zeigarnik, O. S. Popel’, M. V. Sinkevich, S. P. Filippov, and V. Y. Shterenberg. 2018. The conceptual process arrangement of a steam–gas power plant with fully capturing carbon dioxide from combustion products. Therm. Eng. 65:597–605. doi: 10.1134/S0040601518090045.
  3. Barma, M. C., R. Saidur, S. M. A. Rahman, A. Allouhi, B. A. Akash, and S. M. Sait. 2017. A review on boilers energy use, energy savings, and emissions reductions. Renew. Sust. Energ. Rev. 79:970–983. doi: 10.1016/J.RSER.2017.05.187.
  4. Al-Qurashi, K., A. D. Lueking, and A. L. Boehman. 2011. The deconvolution of the thermal, dilution, and chemical effects of exhaust gas recirculation (EGR) on the reactivity of engine and flame soot. Combust. Flame 158:1696–1704. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.02.006.
  5. Li, S., Y. Zhang, X. Qiu, B. Li, and H. Zhang. 2014. Effects of inert dilution and preheating temperature on lean flammability limit of syngas. Energ. Fuel. 28:3442–3452. doi: 10.1021/ef500187s.
  6. Pugh, D. G., P. J. Bowen, R. Marsh, et al. 2017. Dissociative influence of H O vapour/spray on lean blowoff and NOx reduction for heavily carbonaceous syngas swirling flames. Combust. Flame 177:37–48. doi: 10.1016/j.combustflame.2016.11.010.
  7. Zhang, P., Y. Shao, J. Niu, X. Zeng, X. Zheng, and C. Wu. 2022. Effect of low-nitrogen combustion system with flue gas circulation technology on the performance of NOx emission in waste-to-energy power plant. Chem. Eng. Process. 175:108910. doi: 10.1016/J.CEP.2022.108910.
  8. Li, A., Z. Zheng, and T. Peng. 2020. Effect of water injection on the knock, combustion, and emissions of a direct injection gasoline engine. Fuel 268:117376. doi: 10.1016/j.fuel.2020.117376.
  9. Le Cong, T., and P. Dagaut. 2009. Experimental and detailed modeling study of the effect of water vapor on the kinetics of combustion of hydrogen and natural gas, impact on NOx. Energ. Fuel. 23:725–34. doi: 10.1021/ef800832q.
  10. Boushaki, T., Y. Dhué, L. Selle, B. Ferret, and T. Poinsot. 2012. Effects of hydrogen and steam addition on laminar burning velocity of methane–air premixed flame: Experimental and numerical analysis. Int. J. Hydrogen Energ. 37:9412–9422. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.03.037.
  11. Albin, E., H. Nawroth, S. Göke, Y. D’Angelo, and C. O. Paschereit. 2013. Experimental investigation of burning velocities of ultra-wet methane–air–steam mixtures. Fuel Process Technol. 107:27–35. doi: 10.1016/j.fuproc.2012.06.027.
  12. Zou, C., Y. Song, G. Li, S. Cao, Y. He, and C. Zheng. 2014. The chemical mechanism of steam’s effect on the temperature in methane oxy-steam combustion. Int. J. Heat Mass Tran. 75:12–18. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.03.051.
  13. Honzawa, T., R. Kai, M. Seino, et al. 2020. Numerical and experimental investigations on turbulent combustion fields generated by large-scale submerged combustion vaporizer burners with water spray equipment. J. Nat. Gas Sci. Eng. 76:103158. doi: 10.1016/j.jngse.2020.103158.
  14. Matynia, A., J. L. Delfau, L. Pillier, and C. Vovelle. 2009. Comparative study of the influence of CO2 and H2O on the chemical structure of lean and rich methane–air flames at atmospheric pressure. Combust. Explo. Shock Waves 45:635–645. doi: 10.1007/s10573-009-0078-5.
  15. Cui, G., Z. Dong, S. Wang, X. Xing, T. Shan, and Z. Li. 2020. Effect of the water on the flame characteristics of methane hydrate combustion. Appl. Energ. 259:114205. doi: 10.1016/j.apenergy.2019.114205.
  16. Anufriev, I. S., E. P. Kopyev, I. S. Sadkin, and M. A. Mukhina. 2021. NOx reduction by steam injection method during liquid fuel and waste burning. Process Saf. Environ. 152:240–248. doi: 10.1016/j.psep.2021.06.016.
  17. Kopyev, E. P., I. S. Anufriev, I. S. Sadkin, E. Y. Shadrin, and A. V. Minakov. 2022. Experimental study of kerosene combustion with steam injection in laboratory burner. J. Eng. Thermophys. 31(4):589–602. doi: 10.1134/S1810232822040063.
  18. USU “Krupnomasshtabnyy termogidrodinamicheskiy stend dlya issledovaniya teplovykh i gazodinamicheskikh kharakteristik energoustanovok” [Unique research facility USU “Large-scale thermo-hydrodynamic setup for studying the thermal and gas-dynamic characteristics of power plants”]. Available at: http://ckp-rf.ru/usu/73570/ (accessed August 27, 2024).
  19. Anufriev, I. S., and E. P. Kopyev. 2019. Diesel fuel combustion by spraying in a superheated steam jet. Fuel Process. Technol. 192:154–169. doi: 10.1016/j.fuproc.2019.04.027.
  20. Anufriev, I. S., D. V. Krasinsky, E. Y. Shadrin, E. P. Kopyev, and O. V. Sharypov. 2019. Investigation of the structure of the gas flow from the nozzle of a spray-type burner. Thermophys. Aeromech. 26:657–672. doi: 10.1134/S0869864319050044.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Diagram of the experimental setup: 1 — gas line; 2 — water supply; 3 — steam; 4 — data line; and 5 — control line

Baixar (129KB)
Metadados
3. Fig. 2. Diagram of the burner device

Baixar (94KB)
Metadados
4. Fig. 3. Maps of oxygen (a) and carbon monoxide (b) content in combustion products: left column — heated air supply; and right column — superheated steam supply

Baixar (543KB)
Metadados
5. Fig. 4. Photographs of the flame of the burner device at various operating parameters (see the table)

Baixar (126KB)
Metadados
6. Fig. 5. Profiles of the average flame temperature along the vertical axis of the burner nozzle for modes when supplying a jet of heated air at constant atomizer flow rate (a) and at constant fuel consumption (b): 1 — A10P8; 2 — A10P9; 3 — A10P10; 4 — A10P11; 5 — A8P9; and 6 — A10P9

Baixar (102KB)
Metadados
7. Fig. 6. Profiles of the average flame temperature along the vertical axis of the burner nozzle for modes when supplying a jet of superheated water steam at constant atomizer flow rate (a) and at constant fuel consumption (b): 1 — S8P8; 2 — S8P9; 3 — S8P10; 4 — S8P11; 5 — S6P9; 6 — S8P9; and 7 — S10P9

Baixar (105KB)
Metadados
8. Fig. 7. Maps of the content of nitrogen oxides in combustion products: (a) heated air supply; and (b) superheated steam supply

Baixar (97KB)
Metadados
9. Fig. 8. Concentration profiles of gas components in the flame along the vertical axis of the burner nozzle for modes when supplying a jet of heated air: 1 — A8P9; 2 — A10P8; 3 — A10P9; 4 — A10P10; and 5 — A10P11

Baixar (107KB)
Metadados
10. Fig. 9. Concentration profiles of gas components in the flame along the vertical axis of the burner nozzle for modes when supplying a jet of superheated water steam: 1 — S6P9; 2 — S8P8; 3 — S8P9; 4 — S8P10; 5 — S8P11; and 6 — S10P9

Baixar (109KB)
Metadados

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».