ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЕНЕРАЦИИ ГОРЮЧЕГО ГАЗА ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

EXPERIMENTAL STUDY OF THE PROCESS OF GENERATING FLAMMABLE GAS FROM AVIATION KEROSENE

Mikhail Gordin

сompetitor of a scientific degree , Scientific Research University "MEI"

Russia, Moscow

Igor Shevchenko

doсtor of  Sciences, professor of the Department of Innovativ Technologies of High-Tech Industries of the Scientific Research University “MEI”,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Целью работы являлось экспериментальное исследование первой стадии процесса автотермического риформинга, для получения из жидкого углеводородного топлива синтез-газа. Одной из основных проблем, связанных с реализацией первой стадии процесса является процесс выделения сажи из реагирующей воздушно–топливной смеси. Результаты проведенных экспериментов, показали, что в условиях реактора канального типа процесс интенсивного сажевыделения оказывается подавленным. Это открывает возможность осуществления процесса частичного окисления углеводородного топлива в более широком диапазоне изменения коэффициентов избытка воздуха, чем это предполагалось ранее.

ABSTRACT

The aim of the work was an experimental study of the first stage of the autothermal reforming process, to obtain a synthesis-gas from a liquid hydrocarbon fuel. One of the main problems associated with the implementation of the first stage of the process is the process of soot extraction from the reacting air-fuel mixture. The results of the experiments showed that in the conditions of a channel-type reactor, the process of intensive soot release is suppressed. This opens up the possibility of carrying out the process of partial oxidation of hydrocarbon fuels in a wider range of changes in the coefficients of excess air than previously thought.

Ключевые слова: топливный элемент, автотермический рифор­минг, синтез-газ, сажевыделение.

Keywords: fuel cell, autothermal reforming, synthesis gas, soot release.

К числу наиболее перспективных способов повышения управ­ляемости и надежности самолетов гражданской авиации относится замена всех бортовых пневмо- и гидросистем на электрические. Одной из основных проблем, связанных с созданием подобных самолетов, является разработка мощных и компактных бортовых источников электроэнергии, в частности гибридных вспомогательных силовых установок с батареями на базе твердооксидных топливных элементов [1].

Преимуществом твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) является его сравнительно большая стойкость к различным вредным воздействиям и способность использовать, помимо водорода и окись углерода, в качестве топлива, что делает возможным работу ТОТЭ на смеси окиси углерода и водорода, получаемой из жидкого авиационного топлива, т. е. на синтез – газе [2].

Необходимый для работы топливных элементов синтез–газ может быть получен из жидкого углеводородного топлива несколькими способами, наиболее перспективным из которых является процесс автотермического риформинга [3].

К синтез–газу, поступающему для питания ТОТЭ, предъявляются определенные требования: в качестве активных, горючих компонент, синтез–газ должен содержать только окись углерода и водород. Допускается наличие в синтез–газе инертных составляющих в виде водяных паров, атмосферного азота, аргона и двуокиси углерода. Конденсированная фаза всех видов, включая твердый углерод (сажу), в синтез–газе полностью исключается. Содержание остаточного метана (возможный промежуточный продукт, возникающий при генерации синтез–газа) допускается не более 0,1 % по объему; содержание оста­точных углеводородов состава С₂H₂, C₂H₆ и выше – в совокупности не более 0,01 % по объему; содержание остаточного кислорода O₂ – не более 0,1 % по объему.

Целью работы являлось экспериментальное исследование первой стадии процесса автотермического риформинга, когда из жидкого угле­водородного топлива требуется получить легкий углеводородный газ.

Одной из основных проблем, связанных с реализацией первой стадии процесса является процесс выделения сажи из реагирующей воздушно–топливной смеси. Ранее в исследованиях было установлено [4], что развитие процесса выделения сажи сильно зависит от коэффи­циента избытка воздуха α в реагирующей воздушно–топливной смеси. Реактор, в котором происходит реакция неполного окисления топлива, способен работать без выделения сажи в двух различных режимах: режим генерации оксида углерода и водорода (синтез-газ) при почти низком содержании в продуктах реакции углеводородных соединений (α > 0,4); режим генерации углеводородных газов с низким содер­жанием оксида углерода и водорода (α <0,2).

При 0,2 <α < 0,35 наблюдается так называемый «сажевый полуостров», в пределах которого образование сажи термодинамически устойчиво и не может быть предотвращено никакими дополнительными мероприятиями.

Режим работы, устанавливаемый в реакторе частичного окисления, протекает только при условии предварительного подогрева воздуха и топлива, участвующих в реакции. Время протекания процесса на несколько порядков больше времени протекания обычного процесса горения. Путем варьирования температуры, давления, времени осущест­вления реакции и коэффициента избытка окислителя (воздуха) можно найти оптимальные условия генерации горючего газа из жидкого топлива, при которых не будет выделения твердой фазы углеводородных соединений, а теплотворная способность получаемого газа будет макси­мальна и близка к теплотворной способности исходного жидкого топлива.

Для проведения соответствующих экспериментов был создан экспериментальный реактор неполного окисления канального типа. Схема реактора представлена на рисунке 1.

Примечание: 1 – корпус; 2 – карман термопары; 3 – термопара; 4 – штуцер для вывода продуктов.

Рисунок 1. Схема лабораторного канального реактора-конвертора

Реактор представлял собой трубу диаметром 15мм из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, по центральной оси которой в трубке меньшего диа­метра была расположена подвижная термопара, для измерения поля температур по длине реактора. Реактор обогревался электрическим нагре­вателем косвенного нагрева, представляющим собой кварцевую трубку с намотанной на ней электрической спиралью, изготовленной из нихро­мовой проволоки диаметром 1 мм. В процессе эксперимента потребляе­мая электрическая мощность изменялась с помощью автотрансформатора.

Основные технические характеристики реактора: максимальное давление 10 атм.; максимальная рабочая температура 900°C; расход топлива до 1 л/час; диапазон изменения коэффициентов избытка воздуха – 0,1÷0,6.

Схема лабораторной установки, на которой проводились экспери­менты с реактором, представлена на рисунке 2. Топливо в лабораторный реактор (4) подалось из мерной емкости (1) дозировочным насосом (2). Необходимый расход атмосферного воздуха, подаваемого в реактор для осуществления реакции неполного окисления, устанавливался с помощью ротаметра. Воздух в ротаметр подавался через посредство редуктора (15). Воздушная магистраль перекрывалась вентилем (6). В процессе эксперимента постоянно контролировались и поддер­живались на заданном уровне расходы топлива и воздуха, давление в реакторе и максимальная температура в реакторе. Контроля температуры вдоль реактора проводился с помощью подвижной термопары, которая перемещалась в кармане (2).

Типичное поле температур, снятое в эксперименте по длине реактора, представлено на рисунке 3. Как видно, испарение жидкого углеводородного топлива, его смешение с воздухом и нагрев реакционной смеси до требуемых для начала реакции температур, происходило в процессе движения воздушно–топливной смеси по длине реактора. После выхода из реактора продукты реакции разделялись на два потока. Основная часть расхода продуктов реакции поступала в разделительную колонну (12), где жидкая фаза собиралась на дне колонны, а газовая постепенно накапливалась, заполняя свободный объем. Меньшая часть расхода продуктов реакции отбирается для проведения химического анализа.

Примечание: 1 - мерная емкость для хранения запаса исследуемого топлива; 2 - лабораторный поршневой микронасос; 3 - воздушный ротаметр; 4 - лабораторный канальный реактор с печью косвенного нагревания; 5 - потенциометр для регистрации показаний термопары; 6 - основной кран воздушной магистрали; 7 - воздушный холодильник для охлаждения газа, поступающего на отбор пробы; 8 - емкость для сбора жидких продуктов поступающих из пробоотборника; 9 - прецизионный кран пробоотборника; 10 - пробоотборник для отбора проб газа; 11 - водяной холодильник для охлаждения основной массы газа, поступающей в разделительную колонну; 12 - разделительная колонна; 13 - дренажный кран разделительной колонны; 14 - объемные счетчики газового расхода; 15 - воздушный фильтр

Рисунок 2. Схема лабораторной установки для исследования оксипиролиза

Температура продуктов реакции в месте разделения потоков выбиралась достаточно высокой, чтобы предотвратить конденсацию высококипящих компонентов продуктов реакции и, тем самым, гарантировать идентичность потоков. Состав газов, образующихся при реакции неполного окисления исходного топлива, определялся методом газовой хроматографии.

Рисунок 3. Распределение температур по длине реактора

Периодически проводился отбор проб для хроматографического анализа. Длительность эксперимента определялась в первую очередь необходимостью сбора достаточного для анализа и надежного взвеши­вания количества жидких продуктов реакции, и зависела от расхода топлива, «жесткости» процесса, скорости отбора проб, и составляла от получаса до нескольких часов.

Для проведения экспериментов на описанной лабораторной установке использовался авиационный керосин ТС-1. Основные параметры экспериментов и обобщенный состав газов, полученных в ходе экспериментов, приведены в таблице 1.

Во всех проведенных экспериментах наблюдалась высокая степень газификации исходного топлива. Она изменялась от 70 до 80,8 %. Основными продуктами реакции были непредельные легкие углеводо­роды. Обращает на себя внимание, что в зависимости от коэффициента избытка воздуха, выход синтез – газа, образовавшегося при неполном окислении топлива, оказался немонотонной функцией . Он достигал максимума при  (рис. 4).

Таблица 1.

Основные параметры экспериментов и состав продуктов реакции

На рисунке 5 представлено изменение доли углеводородов, которые присутствуют в продуктах реакции при различных значениях  в реакторе. Как следует из него, даже при достаточно больших значе­ниях  в реакторе неполного окисления не удается получить синтез-газ состоящий только из CO, H₂ и не содержащий углеводородных соединений.

Рисунок 4. Изменение массовой доли синтез-газа в продуктах реакции оксипиролиза в зависимости от

Рисунок 5. Изменение массовой доли легких углеводородов в продуктах реакции оксипиролиза в зависимости от

Было установлено, что интенсивное сажевыделение отсутствовало во всех проведенных экспериментах. С целью проверки обнаруженного эффекта были проведены дополнительные эксперименты, в которых коэффициент избытка воздуха выбирался внутри «сажевого полу­острова», в котором должно было наблюдаться интенсивное образование сажи.

Детальные данные об экспериментах, проводившихся на керосине ТС–1, представлены в таблице 2. После окончания экспериментов реактор был вскрыт, и в нем было обнаружено не более 5 г сажи. Предположительно, она образовалась при повышенном давлении, достигавшем в ходе экспериментов 5 Бар.

Таблица 2.

Состав газообразных продуктов оксипиролиза авиационного керосина ТС-1 в канальном реакторе

Всего при повышенном давлении через реактор был пропущен 1 кг топлива. При этом выход сажи составил всего 0,5 %, что противоречит общепринятым представлениям об интенсивном сажевыделении в ходе процесса неполного окисления.

Выводы.

На основании результатов проведенных экспериментов, можно утверждать, что в условиях реактора канального типа процесс интенсивного сажевыделения оказывается подавленным. Известная зависимость выделения сажи в «сажевом полуострове» нарушается, что открывает принципиальную возможность осуществления процесса частичного окисления углеводородного топлива в более широком диапазоне изменения коэффициентов избытка воздуха, чем это предполагалось ранее.

Список литературы:

1. Гордин М.В., Рогален Н.Д., Байков А.В., Шевченко И.В. Исследование и разработка эскизного проекта топливной батареи для гибридной ГТД перспективного самолета гражданской авиации. Альманах мировой науки. Развитие науки и образования: теория и практика: по материалам Международной практической конференции 31.07.18. С. 19-25.
2. Catalytic Autothermal Reforming of Jet Fuel / Lenz B. // International Symposium and Workshop on Fuel Cells and Hydrogen for Aerospace and Maritime Applications - Hamburg, Germany 2004, p. 109 – 119.
3. Lenz B. Catalytic Autothermal Reforming of Jet Fuel // International Symposium and Workshop on Fuel Cells and Hydrogen for Aerospace and Maritime Applications - Hamburg, Germany 2004. Р. 109 - 119.
4. Горение богатых смесей жидкого углеводородного топлива / Димитров В.И. // В сб. «Теория и практика сжигания газа». Под ред. А.С. Иссерлина и М.И. Певзнера, Ленинград: Недра. 1981. С. 121 – 125.