Реферат : Анализ образования и подавления оксидов азота при сжигании природного газа

Оксиды азота NOх в атмосфере оказывают наиболее пагубное воздействие на окружающую среду и прежде всего на человека, животный мир и растительность. Человек подвержен острым респираторным заболеваниям, растительный и животный мир – кислотным дождям (при взаимодействии оксидов азота с атмосферной влагой). Последние не только наносят вред сельскому хозяйству, но и содействуют коррозии и разрушению строительных объектов. Главный источник генерации оксидов азота – процессы сжигания органического топлива. Поэтому снижение их эмиссии при горении топлив является основной экологической задачей конструкторов и технологов топливосжигающих устройств.

В топках при горении топлива образуется 95 - 99% монооксида азота NO и 1 - 5% более токсичного диоксида азота NO2. В атмосфере происходит неконтролируемое превращение NO в NO2, в связи с чем расчет ведется условно на NO2. Для расчета доли диоксида азота в суммарном содержании NOx в атмосферном воздухе при расчете загазованности и нормировании выбросов ТЭС условно применяется коэффициент 0,8.

[sms]

Источниками оксидов азота являются молекулярный азот воздуха, используемого в качестве окислителя при горении, и азотсодержащие компоненты топлива. В связи с этим принято делить оксиды азота на воздушные и топливные. Воздушные, в свою очередь, можно разделить на термические, образующиеся при высоких температурах за счет окисления молекулярного азота атомарным кислородом (механизм Зельдовича), и так называемые "быстрые" оксиды азота, образующиеся в зоне сравнительно низких температур в результате реакции углеводородных радикалов с молекулой азота и последующего взаимодействия атомарного азота с гидроксилом OН.[1]

1. Образование оксидов азота при сжигании природного газа

Оксиды азота NOX — опасные для экосистем соединения антропогенного происхождения. Главный источник генерации оксидов азота — сжигание органического топлива, в том числе метана на электростанциях, в котлах, а также при производстве комплекса работ, связанных с обустройством и эксплуатацией месторождений газа. Оксиды азота эффективно выводятся из атмосферы путем сухого и влажного осаждения или быстро окисляются в нитраты. Возрастающая эмиссия нитратов приводит к увеличению генерации аэрозольных частиц и озона в тропосфере. Но главное — нитраты вносят свой вклад в возрастающую кислотность осадков, влияние которых на хвойные леса может привести к росту содержания СО2 в атмосфере, что особо актуально в свете подписания Россией в 2004 г. Киотского протокола. Решение проблемы снижения эмиссии NOX в атмосферу требует усовершенствования старых и разработки новых технологий для процессов, генерирующих NOX. [2]

Известны три основных кинетических механизма образования оксидов азота при горении углеводородного топлива:

1) термический, при котором оксиды азота образуются в зоне максимальной температуры (механизм Зельдовича);

2) “быстрый”, когда оксиды азота образуются в начальной части факела (механизм Фенимора);

3) топливный, когда оксиды азота образуются из азотсодержащих компонентов топлива,

4) образование окислов через N2O.

Суть механизма Зельдовича заключается в протекании следующих реакций:

O + N2 ® NO + N

N + O2 ® NO + O

N + OH ® NO + H

Механизм называется термическим, так как первая из приведённых реакций имеет очень высокую энергию активации (межмолекулярная связь в молекуле азота чрезвычайно сильна); скорость же реакции напрямую зависит от концентрации реагентов и температуры, которой пропорциональна константа скорости.

Ключевым параметром процесса горения, ответственными за наработку NOx, таким образом, является коэффициент избытка окислителя – максимальный выход окислов наблюдается в смеси стехиометрического состава, где температура максимальна. Также существенную роль играют размеры камеры и время нахождения смеси в высокотемпературной зоне.

“Быстрые” NOx нарабатываются в основном на начальном участке факела, в области фронта со стороны свежей, ещё несгоревшей смеси, где термическая наработка NOx отсутствует. Механизм наработки “быстрых” окислов более сложный, поскольку в нём участвуют радикалы CH, выступающие в горении в качестве промежуточного компонента. Радикалы СН, образующиеся во фронте горения, реагируют с азотом и образуют цианисто-водородную кислоту НСN, которая затем сложным образом реагирует с образованием NO. Лимитирующей стадией в этом случае является реакция

СН + N2 ® НСN + N

Этот механизм преобладает в богатых пламёнах. Расчёты, проведённые Ю.Г. Куценко и Н.А Андрюковым (ОАО “ Авиадвигатель”, г. Пермь) показывают, что образование NO по механизму Фенимора существенно меньше, чем по термическому механизму.

“Топливные” оксиды азота образуются из азотосодержащих соединений, входящих в состав твердых и жидких топлив, особенно угля. Даже относительно чистый уголь содержит около одного процента по массе химически-связанного азота. NO образуется в газовой фазе после испарения соединений при газификации. Этот механизм играет ключевую роль при низкотемпературном горении (температура горения твёрдых веществ ниже температуры газофазного горения), где наработка NOx по остальным механизмам относительно невелика. Механизм образования окислов заключается в превращении азотосодержащих соединений в аммиак и HCN с последующим доокислением. Лимитирующим процессом в этом случае является реакции атомарного азота

N + OH ® NO + H

N + NO ® N2 + O

Последним механизмом образования окислов азота является их образование из закиси азота N2O. Этот механизм схож с термическим механизмом, но продуктом трёхчастичной реакции является N2O, который затем реагирует с атомарным кислородом:

O + N2 + M ® N2O + M

N2O + O ® NO + NO

Обычно вклад этого механизма незначителен по сравнению со всеми другими, но в условиях бедной смеси (в отсутствие СН и при низких температурах) газотурбинного горения данный механизм оказывается главным и основным источником NO. [3]

2. Способы снижения концентрации вредных веществ в выбросах энергетических установок

На крупных объектах теплоэнергетики имеется практический опыт подавления оксидов азота (NOх):

1) оптимизация процессов горения;

2) рециркуляция дымовых газов;

3) технология ступенчатого сжигания;

4) впрыск воды;

5) организация рассеивания в атмосфере до уровня ПДК при достижении приземного слоя (в основном зависит от высоты дымовой трубы).

2.1. Оптимизация процессов горения

Основной причиной образования NOx в камерах сгорания является высокая температура. В частности, по данным ООО “ВНИИГАЗ”, на компрессорных станциях ОАО “Газпром” поступления в атмосферу с продуктами сгорания ГТУ (газотурбинных установок) оцениваются следующими: оксида азота – 140 тыс.т/год, оксид углерода – 210 тыс.т/год, углекислый газ – 81,5 млн.т/год. Средневзвешенная концентрация загрязняющих веществ составляет около 180 мг/м3 для оксида азота и около 250 мг/м3 для оксида углерода.

Оптимизация горения и сокращение концентрации оксидов азота и других примесей может достигаться различными способами. Вот некоторые из них [4]:

Физическая и химическая абсорбция
Суть метода состоит в извлечении компонентов отходящего газа из потока растворителем. Обычно в качестве растворителя используется вода или органические растворители. Главное отличие физической абсорбции от химической заключается в том, что при физической абсорбции растворитель не вступает в химическую реакцию с газом. В случае же хемосорбции происходит химическая реакция между компонентами газа и хемосорбентом, который находится в растворе.

Адсорбция
Методы адсорбции основаны на удалении компонентов отходящего газа за счет их поглощения пористыми адсорбентами. Наиболее часто используемыми адсорбентами являются активные угли, алюмогели, силикагели, цеолиты и иониты.

Каталитические методы
Каталитические методы достаточно распространены и заключаются в каталитическом окислении компонентов отходящего газа посредством разнообразных катализаторов. Каталитическая очистка применяется для удаления из газов большинства главных примесей: оксидов азота, диоксида серы, окиси углерода. Использование каталитической камеры сгорания в газовых турбинах позволяет уменьшить температуру горения и стабилизировать горение бедных смесей.

Термические методы
Термическое окисление или прямое сжигание применяют для устранения из газовых потоков горючих компонентов, в основном органического происхождения.

Конденсация
Метод конденсации основан на том, что при снижении температуры давление насыщенного пара растворителя также уменьшается. Происходит охлаждение смеси паров растворителя с воздухом в теплообменнике с последующей конденсацией.

Компримирование
В методе компримирования используется тот же принцип, что и в методе конденсации, но используется он для паров растворителей под избыточным давлением.

Биологические методы
Биологические методы основаны на сорбции токсичных веществ из газового потока водной фазой – средой обитания микроорганизмов, которые и разрушают сорбированные вещества.

2.2. Рециркуляция и увлажнения части дымовых газов

Исследованием путей подавления образования оксидов азота в топках котлов установлено, что для решения этой проблемы следует

а) тем или иным способом снизить температурный уровень в ядре факела,

б) уменьшить количество окислителя, т.е. кислорода.

Эти соображения и привели к принятию на вооружение в котельной технике ряда новых, более сложных, чем ступенчатое сжигание газа и жидкого топлива, схем.

Среди них рециркуляция части дымовых газов из хвостовой части котла, где температура газов не превышает 300–400 градусов, а избыток воздуха превышает  αт (коэффициент избытка воздуха в топке) не более чем на 0,03–0,05. В противном случае эффективность рециркуляции может оказаться весьма призрачной.

При условии поддержания указанных параметров рециркуляция позволяет заметно улучшить эксплуатационные показатели котлов. Так, при подаче рециркулируемых газов черех воздушные каналы горелок и коэффициенте рециркуляции r = 0,2 выбросы оксидов азота снижаются на 30–50%. Для приближенной оценки эффективности рециркуляции в [5] приводятся такие средние данные в расчете на 1% рециркулирующих газов: снижение NOx на 1,5% при работе на природном газе и на 2% – на мазуте. Следует отметить, что при этом КПД котла снижается примерно на 0,5%, увеличивается расход электроэнергии на собственные нужды, усложняется установка и ее обслуживание, увеличиваются капитальные затраты.

И тем не менее все методы подавления образования оксидов азота в топках котлов – и ступенчатое сжигание, и рециркуляция охлажденных дымовых газов, увлажнение топлива, дутьевого воздуха, описываемое ниже увлажнение газов рециркуляции, впрыск воды непосредственно в факел – все эти методы, каждый в отдельности или их комбинация, намного экономичнее и целесообразнее, чем очистка дымовых газов от вредных компонентов на выходе из котла. Впрочем, давно известно, что профилактика заболевания целесообразнее лечения состоявшейся болезни.

Водогрейные котлы теплопроизводительностью 100 и 180 Гкал/ч, а также некоторые паровые котлы поставляются котельными заводами в комплекте с системой рециркуляции газов. Поэтому целесообразно, по возможности, повысить экологическую эффективность этого метода таким образом, чтобы, во-первых, более радикально снизить выбросы оксидов азота, во-вторых, избежать увеличения концентрации продуктов неполного сгорания, предотвратив их образование. Эти задачи можно решить предлагаемым здесь методом увлажнения и охлаждения рециркулирующих газов до поступления их в топку.

Как известно, снижение температуры горячего воздуха, подаваемого в топку, приводит к уменьшению образования в ней оксидов азота. Очевидно, что снижение температуры газов рециркуляции обеспечит тот же результат. Ввод в топку котла дополнительной влаги не менее эффективно влияет на уменьшение образования оксидов азота, чем рециркуляция газов. Известен также положительный эффект ввода влаги с точки зрения предотвращения образования бенз(а)пирена, формальдегида, тяжелых углеводородов, оксида углерода и других вредных веществ [6].

Поэтому представляется целесообразным совместить оба метода уменьшения вредных выбросов – рециркуляцию охлажденных газов и ввод в топку дополнительной влаги – в комплексной схеме, в которой они дополняли бы друг друга, совместно воздействуя на на предотвращение образования оксидов азота и других вредных выбросов и повышая экологическую эффективность поставляемой с котлом системы рециркуляции. Разумеется, трудно рассчитывать на возможность суммирования эффектов, достигаемых при раздельном использовании рециркуляции газов и впрыска влаги, однако вероятность дальнейшего снижения выбросов оксидов азота в этом случае представляется весьма значительной.

Для эффективного подавления образования оксидов азота и других вредных веществ при вводе дополнительной влаги требуется поддерживать  водотопливное отношение βт = W/B (здесь W и B – расходы воды и топлива, т/ч) в пределах 0,05–0,12 при впрыске воды непосредственно в зону горения и 0,5–1,5 при подаче в топку увлажненного воздуха [6].  Расчетным путем была определена возможность ввода необходимого количества влаги в рециркулирующие газы. Расчет выполнен на примере котла теплопроизводительностью 100 Гкал/ч, работающего на природном газе. Коэффициент рециркуляции r  принят равным 0,2 (20%), температура рециркулирующих газов – 140, 250 и 400 град. (учтено, что в некоторых случаях могут использоваться и уходящие газы).

Для увлажнения горячих газов может быть использована как горячая, так и холодная вода. Расчеты выполнены для варианта с температурой воды 50 град.; при этом учтено, что при подаче ее в малом количестве по сравнению с  количеством газов процесс охлаждения проходит с увеличением влагосодержания по сложной кривой, приближающейся к линии постоянной энтальпии газов. В этих условиях характер изменения параметров газов при их противотоке и прямотоке и малых количествах горячей воды почти совпадает. Это обстоятельство в сочетании с отсутствием требования глубокого охлаждения дымовых газов позволяет ориентироваться на применение контактных теплообменников-испарителей (КИ) прямоточного типа, отличающихся меньшими площадью сечения и аэродинамическим сопротивлением [7].

Расчеты выполнены для 100%-ной нагрузки котла при расходе природного газа 12 520 куб.м/ч (9600 кг/ч). При определении максимально возможного влагосодержания дымовых газов dmax, г/кг сухих газов, в случае их увлажнения посредством контакта с горячей водой использована I-d диаграмма. Значение dmax определено по точке пересечения соответствующей линии I = const и граничной кривой φ = 100%. Возможное количество испаренной влаги в газы рециркуляции определено из выражения

W = Gp(dmax – dp)/1000,

где dp – влагосодержание рециркулирующих газов на входе в контактный теплообменник-испаритель, г/кг сухих газов;

Gp – количество газов рециркуляции, кг/ч.

В результате расчетов (см. табл.1) определены значения водотопливного отношения βт, соответствующие максимальному количеству испаренной влаги. Установлено, что при коэффициенте рециркуляции r = 0,2 и температуре газов рециркуляции 350–400 градусов могут быть достигнуты значения βт = 0,5…0,57. обеспечивающие при правильном выборе места ввода рециркулирующих газов весьма хороший экологический эффект: содержание оксидов азота снижается в 2–2,5 раза, бенз(а)пирена – в 5–6 раз [7].

Таблица 1

Параметр

Начальная температура газов

рециркуляции, град. Цельсия

140

250

400

Расход сухих дымовых газов (при коэффициенте избытка воздуха 1,15), т/ч

170

170

170

Расход газов рециркуляции (при r = 0,2), т/ч

34

34

34

Исходное влагосодержание газов рециркуляции dp, г/кг

130

130

130

Максимально возможное влагосодержание газов рециркуляции dmax при контакте с водой, г/кг сухих газов

170

220

290

Количество испаренной влаги при достижении максимально возможного влагосодержания газов, кг/ч

1300

3100

5500

Водотопливное отношение βт при максимальном количестве испаренной влаги, кг/кг

0,135

0,318

0,567

Возможная температура газов, град. Цельсия, после контакта с водой при водотопливном отношении:

βт = 0,1

βт = 0,5

85

62

200

80

340

100

Максимально возможное влагосодержание дымовых газов на выходе из топки, г/кг сухих газов

138

148

162

Количество тепла,затрачиваемого на нагрев и испарение воды в контактном испарителе, Гкал/ч, при:

βт = 0,1

βт = 0,5

0,59

2,95

0,59

2,95

0,59

2,95

С помощью I–d-диаграммы определены также температуры газов на выходе из контактного испарителя для узловых значений водотопливного отношения βт = 0,1 (при вводе влаги непосредственно в зону горения) и βт = 0,5 (при увлажнении дутьевого воздуха). Расчеты показали, что испарение таких количеств воды в потоке газов рециркуляции с температурой 350–400 градусов вполне возможно; при этом газы охлаждаются на 50–60 град. при βт = 0,1 и на 80 град. при βт = 0,5 при температуре газов рециркуляции 140 град. и на 170–300 град. при температуре газов 250–400 град.

Однако при вводе в топку количества влаги, соответствующего βт = 0,5, потеря теплоты с уходящими газами увеличивается на 3%, что лишь частично компенсируется или может компенсироваться уменьшением потери теплоты от химического недожога, свойственного методу рециркуляции газов без ввода дополнительной влаги. Следовательно, увлажнение газов при βт > 0,1 (как такое же увлажнение топлива или дутьевого воздуха) целесообразно совмещать с установкой в тракте уходящих газов конденсационных теплоутилизаторов, рассчитанных на осушение и охлаждение дымовых газов и компенсирующих снижение КПД котла [7].

Проведенное аналитическое исследование увлажнения газов рециркуляции показывает:

количество дополнительной влаги, вносимой газами рециркуляции при их увлажнении, достаточно для снижения выбросов оксидов азота более чем в два раза;
совместное воздействие методов рециркуляции газов и ввода дополнительной влаги в топку котла может обеспечить снижение всех вредных выбросов в атмосферу.
2.3. Технология ступенчатого сжигания

На первой стадии сжигается богатая смесь (коэффициент избытка горючего около 1,4) для минимального образования NOx, HCN, NH3. Затем смесь обогащается кислородом. Молекулярный азот, образовавшийся на первой стадии, практически не окисляется, так как температура горения постоянно падает из-за теплопереноса (конвекция, излучение). Затем можно использовать дожигание (впрыск топлива в зону сгоревших реакций) для форсирования реакций с учётом NO вида NO+Chi.

В целом, практически любая организация горения, снижающая максимальную температуру в камере сгорания, будет снижать и образование оксидов азота (энергия активация реакций образования окислов по механизму Зельдовича высока). Например, одним из способов является ввод инертного разбавителя с большой теплоёмкостью (азот, вода или отгоревшие газы). Добавки воды заметно снижают выход оксидов, но только до тех пор, пока расход воды не сравняется с расходом топлива – после этого происходит резкое увеличение эмиссии СО и несгоревших углеводородов.

2.4. Впрыск воды

Метод впрыска воды в ГТУ требует больших количеств дистиллированной воды: порядка 100 т воды на 1 т сокращения Nox, или до 3200 долларов на 1 тонну NОx.

Технология ступенчатого сжигания и впрыск воды потребуют заменить газогорелочное устройство, стоимость которого в настоящее время соизмерима со стоимостью нового котлоагрегата, дополнительных линий воздуховодов, водопровода.

2.5. Организация рассеивания в атмосфере до уровня ПДК при достижении приземного слоя (в основном зависит от высоты дымовой трубы).

Он применяется для котлов средней и малой мощности, но как правило, котельные малой и средней мощности имеют относительно невысокие дымовые трубы. Ни одна из существующих программ расчета рассеивания вредных веществ в воздушную среду не сможет учесть влияние расположенных рядом зданий, изменение в связи с этим розы ветров и приведение ПДК к требованиям введенного в действие с 25 июня 2003 г. гигиенического норматива ГН 2.1.6.1338-03 “Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест”, утвержденного Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 21 мая 2003 г.

3.Результаты внедрения технологических методов снижения концентрации оксидов азота в дымовых газах газомазутных котлов

Таблица 2

Методы подавления оксидов азота

Тип и производитель- ность котла, т/ч 

Тепловая мощность котла, МВт  

Топливо  

Содержание NOX, мг/м3, при α = 1,4  

Тип котла на котором реализованы мероприятия  

исходное состояние  

после ТПиР котлов  

Горелки с пониженным вы-

ходом NOX + рециркуляция дымовых газов  

Паровой,  

670 т/ч

582

Газ,

мазут

335

510

120

250

Котлы ТМ-104

Горелки с пониженным вы-

ходом NOX, рециркуляция

дымовых газов, ступенчатое сжигание

Паровой,

475 т/ч

370

Газ,

мазут

950

850

85

130

Котлы ТГМП-114

Двухступенчатое сжигание

Паровой,  

420 т/ч

Водогрейный,

100 Гкал/ч

314

116

Газ,

мазут

Газ

250

425

220

140

240

65

Котлы ТГМ-84

Котлы КВГМ-100

Двухступенчатое сжигание + рециркуляция дымовых газов с впрыском 10 % воды в горелки

Паровой,

2650 т/ч

2053

Газ

1200

160

Котлы ТГМП-204

Трехступенчатое сжигание

Паровой,

480 т/ч,

420 т/ч

372

314

Газ,

мазут

470

370

170

230

220

85

Котлы ТГМ-96Б  

Котлы ТГМ-96Б  

Котлы ТГМ-84

Трехступенчатое сжигание + рециркуляция дымовых газов в горелки  

Паровой,

670 т/ч

582

Газ

300

90

Котлы ПК-33

Подача газов рециркуляции

в воздуховод перед горелками

Водогрейный,

180 Гкал/ч

209

Газ,

мазут

220

400

60

150

Котлы КВГМ-180

Ввод рециркуляции дымовых газов на всас

дутьевых

вентиляторов

Паровой,

420 т/ч

315

Газ

300

125

Котлы  ТГМ-84

Рециркуляция газов (r= 15 %)

+ прямоточные горелки +

малые избытки воздуха

Паровой,

475 т/ч

370

Мазут

850

240

Котлы ПК-41

Рециркуляция дымовых га-

зов (r = 27 %) + ступенчатое сжигание

Паровой,

950 т/ч

Паровой,

500 т/ч

Паровой,

3950 т/ч

812

390

3094

Газ,

мазут

Газ

Газ

1500

1320

300

1500

100

210

65

300

Котлы ТГМП-314

Котел ТПЕ-430

Котлы энергоблока 1200 МВт

Рециркуляция дымовых га-

зов (r = 25 %) + ступенчатое сжигание + новые горелки + переход на тангенциальную компоновку,

ликвидация  пережима в

топке

Паровой,

320 т/ч

233

Газ

650

70

Котлы БКЗ-320-140  ГМ

Установка полуподовых го-

релок + ступенчатое сжигание + рециркуляция дымовых газов

Паровой,

950 т/ч

812

Газ,

мазут

1500

1320

110

250

Котел ТГМП-344

4. Управление горением при помощи низкотемпературной плазмы наносекундного барьерного разряда.

Проблема влияния разрядов на горение широко исследуется достаточно давно. Актуальными задачами в этой области является расширение пределов горения и воспламенения, понижение температуры горения при сохранении мощности для уменьшения производства вредных выбросов, в частности, окислов азота. При этом важным критерием эффективности управления пламенем является отношение вкладываемой энергии к относительному увеличению скорости при сохранении существующей полноты сгорания.

Напомним, что для сокращения количества эмиссии оксидов азота по термическому механизму – главному при газофазном горении - необходимо понизить температуру пламени. Один из способов это сделать – сжигать бедные смеси. На рисунке 1 представлена зависимость температуры метано-воздушного пламени от коэффициента избытка топлива.

 

С уменьшением температуры резко падает константа скорости реакции образования оксида азота. Проведённые расчёты показывают, что для уменьшения константы в 10 раз необходимо уменьшить коэффициент избытка горючего до 0.7; в 100 раз – до 0.55. Однако при уменьшении коэффициент избытка горючего падает и нормальная скорость распространения пламени (нижняя кривая на рисунке 2), а, значит, и мощность горелки. Поэтому необходимо ускорить пламя и поднять скорость горения до “эквивалентного” по мощности уровня (верхняя кривая с точками-ромбами на рисунке 2.). На рисунке это соответствует переходу из зоны 1 (нормального горения) в зону 2 (над кривой). Кривая, построенная по точкам-квадратам на том же рисунке, демонстрирует возможность такого сдвига при помощи наносекундного разряда. Расскажем подробнее о сути метода и причинах, вызывающих увеличение скорости горения бедных смесей, и, следовательно, сокращение эмиссии окислов азота при сохранении мощности.

 

В Лаборатории физики неравновесных систем уже было показано, что одним из наиболее эффективных способов управления горением является воздействие импульсным наносекундным разрядом. Использование такого разряда позволяет организовывать высокие приведённые поля (сотни Td) и энергии электронов, достаточные для электронного возбуждения и ионизации, в промежутке, практически не нагревая сам газ. Таким образом, данный механизм вложения энергии в газ обладает высокой эффективностью. Использование наносекундных импульсов в геометрии барьерного разряда позволяет избежать перехода разряда в искровую форму и использовать предлагаемый способ при больших давлениях. Объемное (или близкое к объемному) возбуждение смеси позволяет добиваться большей эффективности по сравнению с локальным поджигом в точке.

В работе использовались кварцевые сопла прямоугольного сечения различной ширины: от 2 до 4,5 мм, и длиной 30 мм. Высоковольтный электрод, выполненный в форме многоострийной пластины, был установлен внутри сопла параллельно его стенкам. Заземлённые электроды были помещены внутрь кварцевых трубок и располагались возле стенок сопла. Чтобы зафиксировать количество стримерных каналов, использовались электроды с разным количеством острий (зубьев).

Эффективное энерговложение происходит только в течение первых 10-20 нс, после чего зона энерговыделения перемещается за пределы сопла, где разряд уже не воздействует на смесь, сосредотачиваясь возле электродов. Исследования были выполнены для импульсов положительной полярности трёх длительностей: 7 нс, 19 нс и 24 нс, при напряжении на промежутке от 10 до 25 кВ, при частоте импульсов 1 кГц. Изучение пламени проводилось методами эмиссионной спектроскопии и LIF – диагностикой. Для моделирования горения и распространения одномерного предварительно перемешанного пламени использовалась программы "Premix" пакета "Chemkin-II". Кроме кинетики химических реакций, в расчет были включены диффузия компонентов смеси, термодиффузия и перенос тепла.

Согласно гипотезе, основную роль в процессах горения бедных топлив играют активные частицы (O, H, OH), нарабатывающиеся под действием разряда, и принимающие участие в процессах разветвления цепных реакций. Основной канал производства активных частиц – это тушение электронно-возбуждённых состояний молекулярного азота на молекулах кислорода. Эти результаты подтверждаются как экспериментальными данными, так и результатами численного моделирования. При включении разряда вблизи среза сопла возникает дополнительный пик излучения, отвечающий наработке ОН под действием разряда. Ускорение горения выражается в смещении пика и сужении области роста концентрации ОН. Это же относится и к профилям температур – результаты моделирования хорошо соотносятся с экспериментальными данными. Совпадение результатов для метано-воздушного и пропано-воздушного пламени позволяет заключить, что данный механизм типичен для большинства углеводородных пламён. Происходит понижение температуры горения за счёт осуществления горения более бедных смесей, при этом скорость горения существенно возрастает по сравнению с нормальной скоростью горения смеси данного состава.

Образование дополнительной области наработки ОН в разряде подтверждает важность места по высоте пламени, где производятся радикалы, для эффективного ускорения горения. Так как мощность разряда мала по сравнению с химической мощностью горелки, производство радикалов с помощью разряда неэффективно в областях высоких температур, где количество радикалов и так достаточно велико за счёт их производства в цепном механизме горения. С другой стороны, при производстве радикалов в областях низких температур (то есть перед фронтом пламени) следует учитывать, что радикалы на характерных временах успевают рекомбинировать, то есть незначительно нагревают газ. Таким образом, существует область по высоте, где производство радикалов является оптимальным для увеличения скорости горения пламени.

Анализ наработки возбуждённого азота в зависимости от длины разрядного промежутка и энерговклада показал, что существует оптимальное расстояние, при котором происходит максимальное производство электронно-возбуждённых состояний азота. Сравнение этих результатов с результатами по изменению скорости срыва для сопел разной ширины (и, соответственно, для разной длины разрядного промежутка) показывает, что изменение скорости и температуры горения определяется именно эффективностью энерговложения.

Таким образом, в данных исследованиях было проведено экспериментальное и численное изучение влияния импульсного наносекундного разряда на горение и была исследована возможность осуществления горения бедных смесей без потери мощности (то есть на больших скоростях). Были получены результаты, демонстрирующие 2-5 кратное относительное увеличение скорости срыва пропано-воздушного пламени при энерговкладах существенно меньших химической мощности горелки.

Построенная модель, описывающая механизм влияния разряда на горение, способна предсказать оптимальную геометрию в зависимости от параметров горелки и разряда. Эффективность воздействия разряда на пламя определяется эффективностью наработки разрядом активных частиц перед фронтом пламени. Показано, что геометрия разряда, его параметры и локализация энерговклада играют важную роль и определяют эффективность вложения энергии.

[/sms]