Численное исследование процесса плазмохимического пиролиза метана

Задача получения дешевого водородного топлива для энергетических установок из различного сырья привлекает внимание исследователей всего мира. Наиболее дешевым способом получения водорода из углеводородного сырья является плазмохимический пиролиз. Рассмотрены вопросы моделирования рабочего процесса в установке получения водорода из метана путем его конверсии при плазмохимическом пиролизе. Предложена математическая модель для описания процесса пиролиза метана, разработанная с учетом сажеобразования. Проведено моделирование процесса пиролиза и течения продуктов пиролиза в реакторе. Выполнено сравнение расчетных и экспериментальных данных по химическому составу продуктов пиролиза. Определены факторы, влияющие на повышение выхода полезных продуктов. С помощью моделирования установлена приведенная мощность, равная 7,8 кВт?ч/кг, обеспечивающая максимальный выход ацетилена в продуктах пиролиза и близкий к максимальному выход водорода. Получение максимально возможного выхода водорода на моделируемой установке потребует повышения приведенной мощности в 3 раза (21,8 кВт?ч/кг), что является экономически нецелесообразным.
EDN: ADZWNG, https://elibrary/adzwng

Литература

[1] Bilera I.V., Lebedev Yu.A., Titov A.Yu. et al. Modeling of acetylene formation from methane in a plasma jet. High Energy Chem., 2024, vol. 58, no. 3, pp. 332–342, doi: https://doi.org/10.1134/S0018143924700127

[2] Rebrov S.G., Koshlakov V.V., Golikov A.N. et al. Plasma pyrolysis of methane using a DC plasma torch. Plasma Phys. Rep., 2025, vol. 50, no. 12, pp. 1599–1603, doi: https://doi.org/10.1134/S1063780X24602141

[3] Hua F., Cheng Y., Cheng Y. Numerical study of methane to acetylene process in novel thermal plasma array reactor. Chem. Eng. J. Adv., 2022, vol. 11, art. 100309, doi: https://doi.org/10.1016/j.ceja.2022.100309

[4] Heijkers S., Aghaei M., Bogaerts A. Plasma-based CH4 conversion into higher hydrocarbons and H2: modeling to reveal the reaction mechanisms of different plasma sources. J. Phys. Chem. C, 2020, vol. 124, no. 13, pp. 7016–7030, doi: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c00082

[5] Fulcheri L., Dames E., Rohani V. Plasma-based conversion of methane into hydrogen and carbon black. Curr. Opin. Green Sustain Chem., 2024, vol. 50, art. 100973, doi: https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2024.100973

[6] Ali Z., Song H., Trieu Nguyen U.N. et al. Hydrogen and solid carbon production via methane pyrolysis in a rotating gliding arc plasma reactor. ChemSusChem, 2025, vol. 18, no. 7, art. e202401602, doi: https://doi.org/10.1002/cssc.202401602

[7] Cheng Y., Li T., Rehmet C. et al. Detailed kinetic modeling of chemical quenching processes of acetylene-rich gas at high temperature. Chem. Eng. J., 2017, vol. 315, pp. 324–334, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.01.040

[8] Daghagheleh O., Schenk J., Zarl M.A. et al. Feasibility of a plasma furnace for methane pyrolysis: hydrogen and carbon production. Energies, 2024, vol. 17, no. 1, art. 167, doi: https://doi.org/10.3390/en17010167

[9] Bilera I.V., Lebedev Y.A. Plasma-chemical production of acetylene from hydrocarbons: history and current status (a review). Pet. Chem., 2022, vol. 62, no. 4, pp. 329–351, doi: https://doi.org/10.1134/S0965544122010145

[10] Wnukowski M. Methane pyrolysis with the use of plasma: review of plasma reactors and process products. Energies, 2023, vol. 16, no. 18, art. 6441, doi: https://doi.org/10.3390/en16186441

[11] Moghaddam A.L., Hejazi S., Fattahi M. et al. Methane pyrolysis for hydrogen production: navigating the path to a net zero future. Energy Environ. Sci., 2025, vol. 18, no. 6, art. 2747, doi: https://doi.org/10.1039/d4ee06191h

[12] Alhamed H., Behar O., Saxena S. et al. From methane to hydrogen: a comprehensive review to assess the efficiency and potential of turquoise hydrogen technologies. Int. J. Hydrog. Energy, 2024, vol. 68, pp. 635–662, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.04.231

[13] Dou P., Qi T., Xu S. et al. Recent advances in the application of plasma technology in hydrogen energy research. Clean Energy Sci. Technol., 2025, vol. 3, no. 2, art. 370, doi: https://doi.org/10.18686/cest370

[14] Кодряну Н.П., Ишмурзин А.А., Дауди Д.И. и др. Теоретическая основа и практический анализ технологий для водородной стратегии Российской Федерации. Газовая промышленность, 2022, № 1, c. 56–70.

[15] Миллер С.А. Ацетилен, его свойства, получение и применение. Т. 1. Ленинград, Химия, 1969. 679 с.

[16] Андреев Д.Н. Органический синтез в электрических разрядах. Москва, Ленинград, Изд-во Акад. наук СССР, 1953. 336 с.

[17] Полак Л.С. Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной плазме. Москва, Наука, 1965. 256 с.

[18] Трошин К.Я. Кинетическое моделирование закалки продуктов сгорания при получении ацетилена. Химическая физика, 2019, т. 38, № 8, c. 3–11, doi: https://doi.org/10.1134/S0207401X19080132

[19] ANSYS student free student software. ansys.com: веб-сайт. URL: https://www.ansys.com/academic/free-student-products (дата обращения: 15.11.2023).

[20] Frenklach M., Wang H., Goldenberg M. Reduced detailed mechanism for methane combustion. Energy and Power Engineering, 2012, vol. 4, no. 1, pp. 28–33, doi: http://dx.doi.org/10.4236/epe.2012.41004

[21] Gran I.R., Magnussen B.F. A numerical study of a bluff-body stabilized diffusion flame. Part 1. Influence of turbulence modeling and boundary conditions. Combust. Sci. Technol., 1996, vol. 119, no. 1-6, pp. 171–190, doi: https://doi.org/10.1080/00102209608951998

[22] Gran I.R., Magnussen B.F. A numerical study of a bluff-body stabilized diffusion flame. Part 2. Influence of combustion modeling and finite-rate chemistry. Combust. Sci. Technol., 1996, vol. 119, no. 1–6, pp. 191–217, doi: https://doi.org/10.1080/00102209608951999

[23] Pope S.B. Computationally efficient implementation of combustion chemistry using in situ adaptive tabulation. Combustion Theory and Modelling, 1997, vol. 1(1), pp. 41–63, doi: https://doi.org/10.1080/713665229

[24] Tesner P.A., Snegirova T.D., Knorre V.G. Kinetics of dispersed carbon formation. Combust. Flame, 1971, vol. 17, no. 2, pp. 253–260, doi: https://doi.org/10.1016/S0010-2180(71)80168-2

[25] Семенов Н.Н. Цепные реакции. Москва, Наука, 1986. 535 с.

[26] Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. Москва, Химия, 1972. 136 с.

[27] Magnussen B.F., Hiertager B.H. On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 1977, vol. 16, no. 1, pp. 719–729, doi: https://doi.org/10.1016/S0082-0784(77)80366-4

[28] Raw M.J. Robustness of coupled algebraic multigrid for the Navier-Stokes equations. AIAA 34th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno. 1996.

[29] Ильин В.П. Многосеточные методы неполной факторизации в подпространствах Крылова. Записки научных семинаров ПОМИ, 2022, т. 514, с. 61–76.