On optimization of hydrogen production during combustion of aluminum nanopowder in steam

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents the results of numerical simulation of the process of molecular hydrogen production during the combustion of aluminum nanopowder in steam. The calculations are carried out on the basis of a previously developed combustion model of an ensemble of aluminum nanoparticles in steam. As a result of calculations, the time histories of mixture temperature and concentrations of components, including molecular hydrogen, are found at different values of the initial conditions (temperature, radius of aluminum particles and the presence of an oxide film on them, and the ratio of initial concentrations of aluminum and water). The effect of small oxygen additives on the combustion process has also been studied. The obtained data allow one to find conditions for achieving the maximum degree of conversion of steam into molecular hydrogen at optimal thermophysical parameters of combustion products.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Vladimir B. Storozhev

V. L. Talrose Institute for Energy Problems of Chemical Physics at N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: storozhev@chph.ras.ru

(b. 1947) — Candidate of Science in physics and mathematics, senior research scientist

Russian Federation, 38-2 Leninsky Prosp., Moscow 119334

Alexander N. Yermakov

V. L. Talrose Institute for Energy Problems of Chemical Physics at N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: ayermakov@chph.ras.ru

(b. 1943) — Doctor of Science in chemistry, head of a laboratory

Russian Federation, 38-2 Leninsky Prosp., Moscow 119334

References

  1. Dincer, I. 2002. Technical, environmental and exergetic aspects of hydrogen energy systems. Int. J. Hydrogen Energ. 27(3):265–285. doi: 10.1016/S0360-3199(01)00119-7.
  2. Arutyunov, V. S. 2022. Hydrogen energy: Significance, sources, problems, and prospects (a review). Petrol. Chem. 62(6):583–593. doi: 10.1134/S0965544122040065.
  3. Starik, A. M., P. S. Kuleshov, A. S. Sharipov, N. S. Titova, and Ch.-J. Tsai. 2014. Numerical analysis of nanoaluminum combustion in steam. Combust. Flame 161(6):1659–1667. doi: 10.1016/j.combustflame.2013.12. 007.
  4. Bityurin, V. A, A. I. Klimov, O. V. Korshunov, and V. F. Chinnov. 2014. Kinetic model of aluminum oxidation by water vapor in heterogeneous plasma: Gasphase kinetics. High Temp. 52(5):621–626. doi: 10.1134/ S0018151X14050034.
  5. Starik, A. M., A. M. Savel’ev, and N. S. Titova. 2015. Specific features of ignition and combustion of composite fuels containing aluminum nanoparticles (review). Combust. Explo. Shock Waves 51:197–222. doi: 10.1134/S0010508215020057.
  6. Storozhev, V. B., and A. N. Yermakov. 2015. Combustion of nano-sized aluminum particles in steam: Numerical modeling. Combust. Flame 162(11):4129–4137. doi: 10.1016/j.combustflame.2015.08.013.
  7. Sundaram, D., V. Yang, and R. Yetter. 2017. Metal-based nanoenergetic materials: synthesis, properties, and applications. Prog. Energ. Combust. 61:293–365. doi: 10.1016/j.pecs.2017.02.002.
  8. Sheindlin, A. E., V. A. Bityurin, A. Z. Zhuk, V. I. Zalkind, P. P. Ivanov, and V. I. Miroshnichenko. 2009. Aluminum–hydrogen MHD electric-energy generators. Dokl. Phys. 54:202–204. doi: 10.1134/S1028335809040119.
  9. Storozhev, V. B., and A. N. Yermakov. 2018. Effect of suboxides on dynamics of combustion of aluminum nanopowder in water vapor: Numerical estimate. Combust. Flame 190:103–111. doi: 10.1016/j.combustflame.2017.11.014.
  10. Storozhev, V. B., and A. N. Yermakov. 2021. Effect on combustion of oxide coating formed on aluminum nanoparticles burned in steam. Combust. Flame 226:182–189. doi: 10.1016/j.combustflame.2020.11.040.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Predicted time histories of the reacting mixture temperature (a) and molar fractions of molecular hydrogen (b) at different values of the initial temperature : 1 — 2300 К; and 2 — 2500 К

Download (254KB)
3. Predicted dependence of the water conversion coefficient on the initial ratio of aluminum and water concentrations: 1 — γ; 2 — γmax

Download (108KB)
4. Predicted time histories of the reacting mixture temperature (a) and molar fractions of molecular hydrogen (b) at different values of the initial content of small oxygen additives to the mixture: 1 — 0% O ; 2 — 1% O ; 3 — 2% O ; and 4 — 3% O

Download (270KB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».