Międzynarodowy zespół naukowców opracował innowacyjny mieszacz gazowy oparty na prostej geometrii stożkowej, który znacząco przewyższa tradycyjne rozwiązania w procesie mieszania metanu z wodorem. Badanie opublikowane w International Journal of Hydrogen Energy przedstawia optymalizację procesu mieszania gazów kluczowego dla rozwoju paliw wodorowo-gazowych w energetyce.
Naukowcy z chińskich instytutów badawczych stworzyli model termodynamiczny metanu i wodoru, porównując różne konfiguracje geometryczne rur i mieszaczy w skali laboratoryjnej. Analiza obliczeniowej mechaniki płynów (CFD) wykazała, że mieszacz oparty na geometrii ściętego stożka zapewnia najefektywniejsze mieszanie gazów przy bardzo niskich stratach ciśnienia.
Badanie koncentruje się na kluczowym wyzwaniu dla sektora energetycznego – zapewnieniu jednorodnego rozproszenia wodoru w gazie ziemnym przed zastosowaniem końcowym. Według chińskich regulacji technicznych dla stacji mieszania wodoru z gazem ziemnym, mieszacz statyczny musi zapewnić jednorodność mieszaniny nie mniejszą niż 95% przy spadku ciśnienia nieprzekraczającym 1 kPa.
Porównanie różnych konfiguracji pokazało, że mieszacz KSM zapewnia wyższą jednorodność mieszaniny w porównaniu z kanałami typu T-junction. Jednak geometria ściętego stożka okazała się najbardziej efektywna, demonstrując najlepsze parametry mieszania przy minimalnych stratach ciśnienia.
„Spalanie gazu ziemnego zmieszanego z wodorem w celu wytwarzania energii elektrycznej może zmniejszyć emisje dwutlenku węgla” – podkreślają autorzy badania. Mieszanka paliwowa musi być odpowiednio przygotowana w instalacji skidowej przed zastosowaniem końcowym, aby zapewnić równomierne rozproszenie wodoru.
Optymalizacja teoretyczna warunków mieszania i konstrukcji ściętego stożka wykazała, że prędkość wlotu płynu ma bardziej wyraźny wpływ na mieszanie gazów niż temperatura i ciśnienie. Przy stałej objętości, konstrukcja stożkowa o zwiększonej wysokości i wyższym przepływie wlotowym lub cieńszej rurze wlotowej zapewnia lepszą wydajność mieszania płynów.
Model termodynamiczny opracowany przez naukowców uwzględnia gęstość, lepkość i dyfuzyjność mieszaniny, umożliwiając precyzyjną analizę wydajności mieszania gazów. Symulacje CFD potwierdziły przewagę nowej geometrii nad konwencjonalnymi rozwiązaniami używanymi w przemyśle.
Wodór jako paliwo zeroemisyjne zyskuje na popularności ze względu na swoją rolę jako jeden z najefektywniejszych nośników energii. Może być wykorzystywany jako czyste paliwo poprzez spalanie i ogniwa paliwowe, a jego standardowa molowa entalpia spalania wynosi około -286 kJ/mol w porównaniu z -891 kJ/mol dla metanu, ale z gęstością energii masowej ponad dwukrotnie wyższą niż metan.
Badania nad mieszaniem gazu ziemnego z wodorem koncentrowały się dotychczas głównie na termodynamice gazów mieszanych, selekcji i optymalizacji turbin gazowych oraz adaptacji materiałów sprzętu. Dopiero ostatnio pojawiły się badania nad mieszaniem i transportem rurociągowym mieszanek na poziomie frontend.
Nowe rozwiązanie geometrii stożkowej może znaleźć zastosowanie w skidowych instalacjach mieszania, gdzie prostota konstrukcji ułatwia skalowanie przemysłowe w porównaniu ze złożonymi strukturami elementów mieszających omawianych w poprzednich badaniach.
Rozwój efektywnych technologii mieszania metanu z wodorem stanowi kluczowy element transformacji energetycznej w kierunku paliw niskoemisyjnych. Nowa geometria stożkowa może znacząco przyczynić się do komercjalizacji mieszanek gazowo-wodorowych w energetyce, oferując prostsze i bardziej efektywne rozwiązanie techniczne. Optymalne mieszanie gazów jest fundamentalne dla bezpiecznego i efektywnego wykorzystania wodoru jako dodatku do gazu ziemnego, co może znacząco zmniejszyć emisje CO₂ z elektrowni gazowych i przybliżyć sektor energetyczny do osiągnięcia celów neutralności węglowej.