probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2024-26-2-3-14probener-3018Research ArticleЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬECOLOGICAL SAFETYСнижение содержания диоксида углерода в выбросах при использовании метано-водородного топливаReducing carbon dioxide emissions when using methane-hydrogen fuelhttps://orcid.org/0000-0002-3658-7830ДеминА. В.DeminA. V.

Демин Алексей Владимирович – докт. техн. наук, профессор кафедры «Инженерная экология и безопасность труда»

г. Казань

Alexey V. Demin

Kazan

alexei_demin@mail.ruПавловГ. И.PavlovG. I.

Павлов Григорий Иванович – докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Специальные технологии в образовании» КНИТУ-КАИ

г. Казань

Grigory I. Pavlov

Kazan

НакоряковП. В.NakoryakovP. V.

Накоряков Павел Викторович – канд. техн. наук, доцент кафедры «Специальные технологии в образовании» КНИТУ-КАИ

г. Казань

Pavel V. Nakoryakov

Kazan

ЗайнутдиноваД. А.ZainutdinovaD. A.

Зайнутдинова Динара Айдаровна – аспирант КНИТУ-КАИ

г. Казань

Dinara A. Zainutdinova

Kazan

Казанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian FederationКазанский национальный исследовательский технический университетРоссияKazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev – KAIRussian Federation202403062024262314Copyright © Демин А.В., Павлов Г.И., Накоряков П.В., Зайнутдинова Д.А., 20242024Демин А.В., Павлов Г.И., Накоряков П.В., Зайнутдинова Д.А.Demin A.V., Pavlov G.I., Nakoryakov P.V., Zainutdinova D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3018

ЦЕЛЬ. Определение оптимальных режимов декарбонизации метана, а также оценка выбросов CO2 при последующем сжигании пиролизного газа, в том числе и совместно с природным газом в различных соотношениях.МЕТОДЫ. Рассматривались процессы термохимической конверсии метана в водород и конденсированный углерод в реакторе с внешним нагревом стенок. Тепловая энергия, необходимая для пиролиза газа, получается за счет сжигания смеси воздуха и части пиролизного газа, очищенного от частиц твердого углерода. При выполнении численных исследований процессов пиролиза была использована кинетическая модель одномерного течения реагирующей смеси при внешнем подводе тепловой энергии через стенки осесимметричного канала (трубчатый реактор).РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработан механизм химического взаимодействия при термическом разложении метана, с учетом образования конденсированного углерода, в температурном диапазоне от 1000 до 1200 °С. Определены основные энергетические показатели и состав пиролизного газа при различных значениях температуры пиролиза и степени конверсии углерода.ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Проведены оценки выбросов CO2 при сжигании пиролизного газа, в том числе совместно с природным газом. При разработке технологий пиролиза, и их применении в промышленных масштабах целесообразно использовать часть получаемого пиролизного газа с высоким содержанием водорода для обеспечения тепловой энергией процессов термического разложения исходного сырья. По результатам расчетов доля этой части достигает ≈ 35 % от общего количества пиролизного газа. Такой подход, в отличие от сжигания для этой цели природного газа, существенно снизит выбросы CO2. Сжигание получаемого пиролизного газа, даже без удаления остаточных углеводородов, характеризуется вполне приемлемыми в настоящее время коэффициентами выбросов CO2 ≈ 7-25 т CO2/ТДж.

AIM. To determine optimal modes for methane decarbonization, as well as to assess CO2 emissions during subsequent combustion of the pyrolysis gas, including together with the natural gas in various ratios.METHODS. The processes of thermochemical conversion of methane into hydrogen and condensed carbon in a reactor with external heating of the walls were considered. The thermal energy required for gas pyrolysis is obtained by burning a mixture of air and part of the pyrolysis gas, which is free from solid carbon particles. When performing numerical studies of pyrolysis processes, a kinetic model of one-dimensional flow of the reacting mixture was used with an external supply of thermal energy through the walls of an axisymmetric channel (tubular reactor).RESULTS. The mechanism of chemical interaction during the thermal decomposition of methane was developed, taking into account the formation of condensed carbon in the temperature range from 1000 to 1200 °C. The main energy indicators and the composition of pyrolysis gas were determined at various values of the pyrolysis temperature and the degree of carbon conversion.CONCLUSION. Carbon dioxide emissions from the combustion of pyrolysis gas, including together with the natural gas, were assessed. When developing pyrolysis technologies and applying them on an industrial scale, it is advisable to use part of the resulting pyrolysis gas with a high hydrogen content to provide thermal energy for the processes of thermal decomposition of the feedstock. According to the calculations, the share of this part reaches ≈ 35% of the total amount of pyrolysis gas. This approach, as opposed to burning the natural gas for this purpose, significantly reduces CO2 emissions. The combustion of the resulting pyrolysis gas, even without removing residual hydrocarbons, is characterized by currently quite acceptable CO2 emission factors of ≈ 7-25 t CO2/TJ.

природный газпиролизгорениевыбросы парниковых газовмоделированиечисленные исследованияnatural gaspyrolysiscombustiongreenhouse gas emissionsmodelingnumerical researchReferencesWeger L., Abánades A., Butler T. Methane cracking as a bridge technology to the hydrogen economy // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. V. 42 (1). pp. 720 – 731. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.11.029.Weger L., Abánades A., Butler T. Methane cracking as a bridge technology to the hydrogen economy // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. V. 42 (1). pp. 720 – 731. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.11.029.Яруллин Р.С., Салихов И.З., Черезов Д.С., Нурисламова А.Р. Перспективы водородных технологий в энергетике и в химической промышленности // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021. Т. 23. № 2. С. 70 – 83. doi:10.30724/1998-9903-2021-23-2-70-83.Yarullin RS, Salikhov IZ, Cherezov DS, Nurislamova AR. Prospects of hydrogen technologies in power and chemical industries. Power engineering: research, equipment, technology. 2021; 23 (2): 70-83. doi:10.30724/1998-9903-2021-23-2-70-83.Korányi T.I, Németh M., Beck A. and Horváth A. Recent advances in methane pyrolysis: turquoise hydrogen with solid carbon production // Energies. 2022. V.15 (17). 6342. doi:10.3390/en15176342.Korányi T.I, Németh M., Beck A. and Horváth A. Recent advances in methane pyrolysis: turquoise hydrogen with solid carbon production // Energies. 2022. V.15 (17). 6342. doi:10.3390/en15176342.Sánchez-Bastardo N., Schlögl R., Ruland H. Methane pyrolysis for CO2-free H2 production: A green process to overcome renewable energies unsteadiness // Chemie Ingenieur Technik. 2020. V. 92 (10). pp. 1596–1609. doi: 10.1002/cite.202000029Sánchez-Bastardo N., Schlögl R., Ruland H. Methane pyrolysis for CO2-free H2 production: A green process to overcome renewable energies unsteadiness // Chemie Ingenieur Technik. 2020. V. 92 (10). pp. 1596–1609. doi: 10.1002/cite.202000029Schneider S., Bajohr S., Graf F and Kolb T. State of the art of hydrogen production via pyrolysis of natural gas // Chemie Ingeneur Technik. 2020. V. 92 (8). pp. 1023 – 1032. doi:10.1002/cite.202000021.Schneider S., Bajohr S., Graf F and Kolb T. State of the art of hydrogen production via pyrolysis of natural gas // Chemie Ingeneur Technik. 2020. V. 92 (8). pp. 1023 – 1032. doi:10.1002/cite.202000021.Chan Y., Chan Z., Lock S., et al. Thermal pyrolysis conversion of methane to hydrogen (H2): A review on process parameters, reaction kinetics and techno-economic analysis // Chinese Chemical Letters. 2023. 109329. doi: 10.1016/j.cclet.2023.109329.Chan Y., Chan Z., Lock S., et al. Thermal pyrolysis conversion of methane to hydrogen (H2): A review on process parameters, reaction kinetics and techno-economic analysis // Chinese Chemical Letters. 2023. 109329. doi: 10.1016/j.cclet.2023.109329.Филимонова А.А., Власова А.Ю., Камалиева Р.Ф. Методы декарбонизации процесса получения электроэнергии в твердооксидном топливном элементе / 2022. Т.24. № 6. С. 72 – 82. doi:10.30724/1998-9903-2022-24-6-72-82.Filimonova A.A., Vlasova A.Y., Kamalieva R.F. Generating electricity in a solid oxide fuelcell decarbonization methods. Power engineering: research, equipment, technology. 2022; 24 (6): 72-82. doi:10.30724/1998-9903-2022-24-6-72-82.Директор Л.Б., Зайченко В. М. , Майков И. Л. , и др. Исследование процесса пиролиза метана при фильтрации через нагретую пористую среду // Теплофизика высоких температур. 2001. Т. 39 (1). С. 89 – 96. doi:10.1023/A:1004178732334.Direktor L.B., Zaichenko V.M., Maikov I.L., et al. Investigation of pyrolysis of methane under conditions of filtering through a heated porous midium // High Temperature. 2001. V. 39 (1). pp. 85 – 92. doi:10.1023/A:1004178732334.Prabowo J. , Lai L. , Chivers B., et al. Solid carbon co-products from hydrogen production by methane pyrolysis: current understandings and recent progress // Carbon. 2024. V. 216. 118507. doi: 10.1016/j.carbon.2023.118507.Prabowo J. , Lai L. , Chivers B., et al. Solid carbon co-products from hydrogen production by methane pyrolysis: current understandings and recent progress // Carbon. 2024. V. 216. 118507. doi: 10.1016/j.carbon.2023.118507.Арутюнов B.C., Веденеев В.И. Пиролиз метана в области температур 1000-1700 K // Успехи химии. 1991. Т. 60. № 12. С. 2663 – 2684. doi:10.1070/RC1991v060n12ABEH001154.Arutyunov V.S., Vedeneev V.I. Pyrolysis of methane in the temperature range 1000-1700 K // Russian Chemical Reviews. 1991. V. 60 (12). pp. 2663 – 2684. doi:10.1070/RC1991v060n12ABEH001154.Becker A., Hüttinger K.J. Chemistry and kinetics of chemical vapor deposition of pyrocarbon — IV pyrocarbon deposition from methane in the low temperature regime // Carbon. 1998. V. 36 (3). pp. 213 – 224. doi:10.1016/S0008-6223(97)00177-2.Becker A., Hüttinger K.J. Chemistry and kinetics of chemical vapor deposition of pyrocarbon — IV pyrocarbon deposition from methane in the low temperature regime // Carbon. 1998. V. 36 (3). pp. 213 – 224. doi:10.1016/S0008-6223(97)00177-2.Abánades A., Ruiz a E., Ferruelo E.M., et al. Experimental analysis of direct thermal methane cracking // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. V. 36 (20). pp. 12877–12886. doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.07.081.Abánades A., Ruiz a E., Ferruelo E.M., et al. Experimental analysis of direct thermal methane cracking // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. V. 36 (20). pp. 12877–12886. doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.07.081.Fau G., Gascoin N., Gillard P. and Steelant J. Methane pyrolysis: Literature survey and comparisons of available data for use in numerical simulations // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2013. V. 104. pp. 1 – 9. doi:10.1016/j.jaap.2013.04.006.Fau G., Gascoin N., Gillard P. and Steelant J. Methane pyrolysis: Literature survey and comparisons of available data for use in numerical simulations // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2013. V. 104. pp. 1 – 9. doi:10.1016/j.jaap.2013.04.006.Shinde V., Pradeep P. Detailed gas-phase kinetics and reduced reaction mechanism for methane pyrolysis involved in CVD/CVI processes // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2021. V. 154. 104998. doi:10.1016/j.jaap.2020.104998.Shinde V., Pradeep P. Detailed gas-phase kinetics and reduced reaction mechanism for methane pyrolysis involved in CVD/CVI processes // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2021. V. 154. 104998. doi:10.1016/j.jaap.2020.104998.Becker T., Richter M., Agar D.W. Methane pyrolysis: Kinetic studies and mechanical removal of carbon deposits in reactors of different materials // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. V. 48 (6). pp. 2112 – 2129. doi:10.1016/j.ijhydene.2022.10.069.Becker T., Richter M., Agar D.W. Methane pyrolysis: Kinetic studies and mechanical removal of carbon deposits in reactors of different materials // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. V. 48 (6). pp. 2112 – 2129. doi:10.1016/j.ijhydene.2022.10.069.Naoumov V. I., Krioukov V.G., Abdullin A.L., and Demin A.V.. Chemical kinetics in combustion and reactive flows: modeling tools and applications. – Cambridge University Press, 2019. doi:10.1017/9781108581714Naoumov V. I., Krioukov V.G., Abdullin A.L., and Demin A.V.. Chemical kinetics in combustion and reactive flows: modeling tools and applications. – Cambridge University Press, 2019. doi:10.1017/9781108581714NIST Chemical Kinetics Database / J.A. Manion, R.E. Huie, R. D. Levin et al. // NIST Standard Reference Database 17, Version 7.0 (Web Version), Release 1.6.8. Data version 2015.09. Gaithersburg, Maryland : National Institute of Standards and Technology. Доступно по: http://kinetics.nist.gov. Ссылка активна на 10 февраля 2024.NIST Chemical Kinetics Database / J.A. Manion, R.E. Huie, R. D. Levin et al. // NIST Standard Reference Database 17, Version 7.0 (Web Version), Release 1.6.8. Data version 2015.09. Gaithersburg, Maryland : National Institute of Standards and Technology. Available at: http://kinetics.nist.gov. Accessed: 10 Feb 2024.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.