CC BY
0УДК 536.4; 544.45
ДИССОЦИАЦИЯ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СРЕДАХ
И Донской И. Г.1, Мисюра С. Я.2
1 Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН, Иркутск, Россия
2 Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск, Россия
E-mail: [email protected]
В работе исследуются процессы взаимодействия газовых гидратов с интенсивными тепловыми потоками, характерными для условий горения. На базе экспериментального материала сформулированы гипотезы о механизмах протекания физико-химических процессов, связанных с разложением гидратов, которые использованы при построении математических моделей для разных масштабов (отдельная частица, слой частиц, зона пламени). Результаты численного моделирования сравниваются с измеренными данными, проведены многофакторные вычислительные эксперименты, позволяющие оценить состояние гидратных частиц при контакте с высокотемпературными средами. Полученные зависимости могут быть применены как для разработки технологий сжигания гидратов горючих газов, так и для тушения пламени гидратами инертных газов.
Ключевые слова: горение, тепломассоперенос, математическое моделирование.
GAS HYDRATES DISSOCIATION IN HIGH-TEMPERATURE MEDIA
И Donskoy I. G.1, Misyura S. Ya.2
1 Melentiev Energy Systems Institute, Irkutsk, Russia 2 Kutateladze Institute of Thermophysics, Novosibirsk, Russia
The paper studies the processes of interaction between gas hydrates and intense heat fluxes which are typical for combustion conditions. Based on the experimental material, hypotheses are formulated on the mechanisms of physical and chemical processes associated with the gas hydrates dissociation, which are used to construct mathematical models for different scales (an individual particle, a layer of particles, and a flame zone). The results of numerical modeling are compared with measured data, multivariate computational experiments are carried out, which allow to estimate the state of hydrate particles in the high-temperature environments. The obtained dependencies can be used both for the development of technologies for burning hydrates of combustible gases and for extinguishing flames with hydrates of inert gases.
Key words: combustion, heat and mass transfer, mathematical modelling.
Введение. Гидраты горючих газов можно рассматривать только как низкосортное топливо (содержание воды обычно превышает 70-80%). Несмотря на это, можно подобрать условия горения, которые позволяют использовать теплоту сгорания газов достаточно эффективно. Прежде всего это диффузионное горение: как показано в экспериментальных работах [1-3], в ряде случаев удается найти соотношение расходов и температур, при которых выделяющийся газ горит над поверхностью, обеспечивая необходимый приток горючего газа за счет нагрева и диссоциации гидрата.
Гидраты негорючих газов могут быть использованы в качестве огнетушащих средств [3, 4]. Помимо высокого содержания воды (также в кристаллической форме), гидраты характеризуются большей теплотой разложения (так как диссоциация является эндотермическим процессом), при этом диссоциация и испарение воды в области пламени приводят к притоку негорючих газов, разбавляющих реагирующую среду.
Большинство исследований по взаимодействию газовых гидратов с пламенем сосредоточены на экспериментах. Теоретические работы обычно опираются на достаточно грубые предположения о протекании физико-химических процессов, особенно в межфазных областях. В [2, 5] гидрат-ный слой моделируется пористой средой (пучок труб) с заданной интенсивностью газовыделения. Авторы [6] рассмотрели одномерную нестационарную задачу о распространении фронта диссоциации и фазовых переходах при диффузионном горении выделяющегося метана: разработанная модель позволяет определять параметры газовой и конденсированной среды.
Математические модели диссоциации плоского гидратного слоя были предложены в работах [7] (для диффузионного переноса газа) и [8] (для фильтрационного переноса внутри частиц). В [9] последняя модель была проверена с использованием экспериментальных данных. Однако при этом условия на внешней поверхности слоя порошка задавались произвольным образом. В работе [10] эта модель была использована для оценки устойчивости диффузионного пламени метан — воздух — пар.
Численное описание экспериментально наблюдаемых нестационарных особенностей поведения поверхности остается невозможным (хотя неясно, требуются ли такие детали для правдоподобного моделирования). Как всегда при изучении процессов горения, мы наблюдаем большое количество временных и пространственных масштабов, связанных с различными компонентами общего процесса, и их соотношения существенно меняются в ходе процесса.
Методика. Для расчетов использовался набор математических моделей, представленный в работах [10, 12]. Модель диссоциации гидрата представляет собой одномерную задачу теплопроводности с источниками, которые связаны со скоростью тепломассопереноса и кинетики диссоциации. Рассматривается трехфронтовая задача типа Стефана, в которой два фронта связаны с фазовыми переходами (испарение воды и плавление льда) и один — с химическим процессом (диссоциация гидрата).
Результаты. Результаты расчетов для разных геометрий представлены на рис. 1: при диссоциации слоя гидрата фронт разложения движется примерно линейно за счет высоких градиентов температуры, в то время как при разложении пеллет площадь поверхности непрерывно уменьшается с углублением фронтов фазовых переходов. При диссоциации на поверхности образуется тонкий слой воды (менее 1 мм), который также обнаруживается в расчетах [13]. Изменение фазового состава частицы гидрата в процессе высокотемпературного нагрева показано на рис. 2: разложение гидрата оказывается быстрее по сравнению с фазовыми переходами, при этом происходит существенное наложение стадий. После полной диссоциации частица представляет собой кусок льда, который тает и испаряется в высокотемпературной среде. Для расчетов принимаются простейшие предположения о состоянии поверхности и межфазных взаимодействиях.
О 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70
Время, с Время, с
Рис. 1. Кинетика диссоциации порошка гидрата СО2 в форме слоя и пеллеты (температура 800 °С)
Рис. 2. Изменение состава пеллеты гидрата СО2 раз- Рис. 3. Зависимость температуры горения паров
мером 5 мм при температуре 900 °С жидких топлив от добавки порошка гидрата СО2
Большой интерес представляет исследование тушащих свойств гидрата углекислого газа [3, 4]. Наиболее простой механизм тушения — это разбавление пламени смесью углекислого газа и водяного пара вплоть до концентрационных и температурных пределов горения. На рис. 3 показаны результаты расчетов по устойчивости диффузионного пламени жидких топлив в присутствии гидрата углекислого газа (равномерно распределенный порошок частиц средним размером 2 мм). Согласно расчетам, при плотности распределения порошка порядка 100 г/м2 происходит срыв горения, связанный с превышением теплопотерь над тепловыделением.
Выводы. Взаимодействие газовых гидратов и высокотемпературных сред рассматривается с использованием набора упрощенных математических моделей, позволяющих оценить эволюцию отдельных частиц и устойчивость диффузионного углеводородно-воздушного пламени.
Расчеты показывают влияние геометрии, тепломассопереноса и реакционной способности на макрокинетику разложения гидрата и устойчивость пламени. С одной стороны, диссоциация и фазовые переходы при внешнем подводе тепла определяют ожидаемое время разложения и состав газового продукта. С другой стороны, насыщение области пламени инертными газами определяет его температуру и тепловые потоки к частицам.
Работа выполнена в рамках программы развития ТПУ «Priority-2030» (проект Priority-2030-NIP/EB-006-0000-2022) и проекта государственного задания (проект № FWEU-2021-0005) программы фундаментальных исследований РФ на 2021-2030 гг. с использованием ресурсов ЦКП «Высокотемпературный контур».
Список литературы
1. Misyura S. Y., Manakov A. Yu., Nyashina G. S., Gaidukova O. S., Morozov V. S., Skiba S. S. Gas Hydrate Combustion in Five Method of Combustion Organization // Entropy. 2020. Vol. 22, N. 7. P. 710.
2. Cui G., Guo T., Xie K., Dong Z., Wu D., Yin J., Li Z. Combustion experiment and numerical simulation of methane hydrate sediment under different airflow environments // Fuel. 2023. Vol. 333 (2). P. 126560.
3. Dunn-Rankin D., Chien Y.-C., Ueda Y., Ohmura R. Fiery ice: An overview of methane hydrate combustion // Progress in Energy and Combustion Science. 2024. Vol. 101. P. 101111.
4. Gaidukova O., Morozov V., Volkov R., Strizhak P. Containment and Suppression of Class A Fires Using CO2 Hydrate // Fire. 2023. Vol. 6. P. 82.
5. Cui G., Wu D., Li Y., Yao S., Guo T., Yin J., XingX., Liu J. Effect of Lithological Parameters on Combustion Characteristics of Methane Hydrate Sediments // Fire. 2023. Vol. 6. P. 463.
6. Баянов И. М., Гималтдинов И. К., Столповский М. В. Моделирование процесса горения гидрата метана с учетом неполного испарения выделившейся воды при его диссоциации // Теплофизика высоких температур. 2023. Т. 61, № 2. С. 251-257.
7. Vlasov V. A. Diffusion model of gas hydrate dissociation into ice and gas that takes into account the ice microstructure // Chemical Engineering Science. 2020. Vol. 215. P. 115443.
8. Misyura S. Y., Donskoy I. G. Improving the efficiency of storage of natural and artificial methane hydrates // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2022. Vol. 97. P. 104324.
9. Misyura S. Y., Donskoy I. G., Manakov A. Yu., Morozov V. S., Strizhak P. A., Skiba S. S., Sagidullin A. K. Combustion of a Powder Layer of Methane Hydrate: The Influence of Layer Height and Air Velocity Above the Layer // Flow, Turbulence and Combustion. 2022. Vol. 109. P. 175-191.
10. Донской И. Г., Мисюра С. Я. Экспериментальное и теоретическое исследование диффузионного горения метана над слоем газового гидрата при ламинарном течении воздуха // Физика горения и взрыва. 2022. Т. 58, № 4. С. 52-62.
11. Donskoy I. G. Dissociation of gas hydrates in a combustion environment // Energy Systems Research. 2024. Vol. 7, N. 1. P. 5-16.
12. Misyura S., Morozov V., Donskoy I., Shlegel N., Dorokhov V. Combustion of Liquid Fuels in the Presence of CO2 Hydrate Powder // Fire. 2023. Vol. 6. P. 318.
References
1. Misyura S. Y., Manakov A. Yu., Nyashina G. S., Gaidukova O. S., Morozov V. S., Skiba S. S. Gas Hydrate Combustion in Five Method of Combustion Organization // Entropy. 2020. Vol. 22, N. 7. P. 710.
2. Cui G., Guo T., Xie K., Dong Z., Wu D., Yin J., Li Z. Combustion experiment and numerical simulation of methane hydrate sediment under different airflow environments // Fuel. 2023. Vol. 333 (2). P. 126560.
3. Dunn-Rankin D., Chien Y.-C., Ueda Y., Ohmura R. Fiery ice: An overview of methane hydrate combustion // Progress in Energy and Combustion Science. 2024. Vol. 101. P. 101111.
4. Gaidukova O., Morozov V., Volkov R., Strizhak P. Containment and Suppression of Class A Fires Using CO2 Hydrate // Fire. 2023. Vol. 6. P. 82.
5. Cui G., Wu D., Li Y., Yao S., Guo T., Yin J., XingX., Liu J. Effect of Lithological Parameters on Combustion Characteristics of Methane Hydrate Sediments // Fire. 2023. Vol. 6. P. 463.
6. Bayanov I. M., Gimaltdinov I. K., Stolpovsky M. V. Simulation of the Combustion Process of Methane Hydrate Taking into Account Incomplete Evaporation of Released Water during Its Dissociation // High Temperature. 2023. Vol. 61. P. 251-257.
7. Vlasov V. A. Diffusion model of gas hydrate dissociation into ice and gas that takes into account the ice microstructure // Chemical Engineering Science. 2020. Vol. 215. P. 115443.
8. Misyura S. Y., Donskoy I. G. Improving the efficiency of storage of natural and artificial methane hydrates // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2022. Vol. 97. P. 104324.
9. Misyura S. Y., Donskoy I. G., Manakov A. Yu., Morozov V. S., StrizhakP. A., Skiba S. S., Sagidullin A. K. Combustion of a Powder Layer of Methane Hydrate: The Influence of Layer Height and Air Velocity Above the Layer // Flow, Turbulence and Combustion. 2022. Vol. 109. P. 175-191.
10. Donskoy I. G., Misyura S. Ya. Experimental and theoretical study of diffusion combustion of methane above a gas hydrate layer in a laminar air flow // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2022. Vol. 58, N. 4. P. 52-62.
11. Donskoy I. G. Dissociation of gas hydrates in a combustion environment // Energy Systems Research. 2024. Vol. 7, N. 1. P. 5-16.
12. Misyura S., Morozov V., Donskoy I., Shlegel N., Dorokhov V. Combustion of Liquid Fuels in the Presence of CO2 Hydrate Powder // Fire. 2023. Vol. 6. P. 318.
