Simulating the Operation of an Internal Combustion Engine on Converter Waste Gas

  • Василий [Vasiliy] Яковлевич [Ya.] Губарев [Gubarev]
  • Антон [Anton] Юрьевич [Yu.] Спасибин [Spasibin]
Keywords: converter waste gas, engine, alternative fuel, utilization, power

Abstract

The possibility of utilizing converter waste gas from the Novolipetsk Metallurgical Combine (NLMC) PJSC in gas-piston units is considered for the first time.

The existing process flow diagram illustrating operation of the gas exhaust duct of the converters is presented, and a version of modernizing the gas exhaust duct for collecting and purifying the gas is described. The operation of the internal combustion engine on natural gas at the nominal load is numerically analyzed. The operation of the engine on converter waste gas is simulated, and comparative characteristics of engine operation with fluctuations of the converter waste gas composition are presented.

The simulation results have shown that the composition of gas has a significant effect on the internal combustion engine operation. The main performance indicators are degraded, a circumstance that points to the need of making changes in the engine design. The results from simulating variations in the converter waste gas composition have shown that during steady-state operation, the content of carbon oxide has the strongest effect on the engine power output, and that increasing the fraction of hydrogen in the mixture entails a drop of power output. A conclusion has been drawn about the possibility of utilizing the converter waste gas chemical potential in a gas-piston unit as applied to the NLMC’s converter department.

Information about authors

Василий [Vasiliy] Яковлевич [Ya.] Губарев [Gubarev]

Ph.D. (Techn.), Professor, Head of Industrial Heat Dept., Lipetsk State Technical University, Lipetsk, e-mail: gv_lipetsk@rambler.ru

Антон [Anton] Юрьевич [Yu.] Спасибин [Spasibin]

Ph.D.-student of Industrial Heat Dept., Lipetsk State Technical University, Lipetsk, e-mail: isabi1@rambler.ru  

References

1. Курзанов С.Ю. Повышение энергетической эффективности сталеплавильного производства на основе использования конвертерных газов: автореф. дис. …канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2011.
2. Лотош В.Е. Утилизация вторичных энергетических ресурсов // Ресурсосберегающие технологии. 2003.
№ 9. С. 3—18.
3. Агапитов Е.Б., Максимов А.А. Разработка схемы комбинированного производства газообразного топлива на основе конвертерного газа с целью сбережения энергетических ресурсов металлургического производства // Вопросы технических наук: новые подходы в решении актуальных проблем: Сборник науч. трудов Междунар. науч.-практ. конф. Казань, 2014.
4. Группа НЛМК — повысить мощности КЦ-2 на 19% [Электрон. ресурс] www.nlmk.com/ru/media-center/news-groups/nlmk-group-to-boost-capacity-of- steelmaking-shop-2-at-lipetsk-site-by-19-/?from=en (дата обращения 18.04.2018).
5. Расщупкин В.П., Корытов М.С. Производство стали. Методика выплавки. Омск: СибАДИ, 2007.
6. Линчевский Б.В., Соболевский А.Л., Кальменев А.А. Металлургия черных металлов. М.: Металлургия, 1986.
7. Ларионов Л.Б., Бураев М.К. Расчет процесса сгорания биогаза в газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированного из дизеля с наддувом // Вестник СВФУ. 2015. Т. 12. № 1. С. 52—58.
8. Карташевич А.Н., Малышкин П.Ю., Плотников С.А., Зубакин А.С. Исследования работы двигателя на альтернативных топливах // Вестник Белорусской гос. сельскохозяйственной академии. 2016. № 4. С. 115—117
9. Левтеров А.М., Левтерова Л.И., Гладкова Н.Ю. Использование альтернативных топлив в транспортных ДВС // Автомобильный транспорт. 2010. № 27. С. 61—64.
10. Европейский опыт утилизации сбросного энергопотенциала промышленных газов [Электрон. ресурс] www.cogeneration.com.ua/ru/analytics/special-gas/ hydrogen-utilization (дата обращения 21.06.2019).
11. Мысник М.И., Свистула А.Е. Анализ теплофизических свойств альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания // Ползуновский вестник. 2009. № 1—2. C. 37—43.
12. Гичев Ю.А. Проектно-конструкторские решения по использованию конвертерного газа для нагрева металлолома // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2013. № 5. С. 54—59.
13. Куземко Р.Д., Сущенко А.В. Улучшение теплового баланса конвертерной плавки за счет регенирации теплоты отходящих газов // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та. Серия «Технические науки». 1998. № 6. С. 62—69.
14. Гичев Ю.А., Запотоцкая А.Ю. Tехнические решения и эффективность использования конвертерного газа для обжига известняка // Международные конференции: литье, металлургия. Запорожье: Запорожская торгово-промышленная палата, 2015.
15. Максимов А.А., Агапитов Е.Б. Совершенствование энергоэффективной схемы утилизации конвертерного газа // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: Сборник докл. IV Всерос. науч.- практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием. Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2015. С. 101—105.
16. Дремов А.Н., Гридин С.В. Использование газов сталеплавильных конвертеров в качестве вторичных энергоресурсов // Металлургия XXI столетия глазами молодых: Сборник докл. Всеукр. науч.-практ. конф. студентов. Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2013. С. 143—144.
17. Сталинский Д.В. и др. Пути повышения эффективного использования вторичных энергоресурсов (топливных газов) металлургического производства // Экология и промышленность. 2010. № 3. С. 71—75.
18. Баптизмаиский В.И., Меджибожский М.Я., Охотский В.Б. Конвертерные процессы производства стали. Теория, технология, конструкции агрегатов. Киев: Высшая школа, 1984.
19. Руководство по ремонту двигателей Caterpillar [Электрон. ресурс] www.truckmanualshub.com/caterpillar- workshop-manuals-pdf (дата обращения 21.06.2019).
20. Кулманаков С.П., Кулманаков С.С. Тепловой расчет ДВС. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2014.
21. Шароглазов Б.А., Шишков В.В. Поршневые двигатели: теория, моделирование и расчет процессов. Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011.
22. Ситтинг М. Процессы окисления углеводородного сырья. М.: Химия, 1970.
23. Калимуллин Р.Ф., Горбачев С.В., Филиппов А.А. Тепловой расчет автомобильных газовых двигателей: методические указания к курсовому проектированию. Оренбург: Изд-во ГОУ ОГУ, 2007.
---
Для цитирования: Губарев В.Я., Спасибин А.Ю. Моделирование работы двигателя внутреннего сгорания на конвертерном газе // Вест- ник МЭИ. 2019. № 6. С. 50—57. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-50-57.
#
1. Kurzanov S.Yu. Povyshenie Energeticheskoy Effektivnosti Staleplavil'nogo Proizvodstva na Osnove Ispol'zovaniya Konverternykh Gazov: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MEI, 2011. (in Russian).
2. Lotosh V.E. Utilizatsiya Vtorichnykh Energeticheskikh Resursov. Resursosberegayushchie Tekhnologii. 2003;9:3—18. (in Russian).
3. Agapitov E.B., Maksimov A.A. Razrabotka Skhemy Kombinirovannogo Proizvodstva Gazoobraznogo Topliva na Osnove Konverternogo Gaza s Tsel'yu Sberezheniya Energeticheskikh Resursov Metallurgicheskogo Proizvodstva. Voprosy Tekhnicheskikh Nauk: Novye Podkhody V Reshenii Aktual'nykh Problem: Sbornik Nauch. Trudov Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Kazan', 2014. (in Russian).
4. Gruppa NLMK — Povysit' Moshchnosti KTS-2 na 19% [Elektron. Resurs] www.nlmk.com/ru/media-center/news-groups/nlmk-group-to-boost-capacity-of-steelmaking-shop-2-at-lipetsk-site-by-19-/?from=en (Data Obrashcheniya 18.04.2018). (in Russian).
5. Rasshchupkin V.P., Korytov M.S. Proizvodstvo Stali. Metodika Vyplavki. Omsk: SibADI, 2007. (in Russian).
6. Linchevskiy B.V., Sobolevskiy A.L., Kal'menev A.A. Metallurgiya Chernykh Metallov. M.: Metallurgiya, 1986. (in Russian).
7. Larionov L.B., Buraev M.K. Raschet Protsessa Sgoraniya Biogaza v Gazovom Dvigatele s Iskrovym Zazhiganiem, Konvertirovannogo iz Dizelya s Nadduvom. Vestnik SVFU. 2015;12;1:52—58. (in Russian).
8. Kartashevich A.N., Malyshkin P.Yu., Plotnikov S.A., Zubakin A.S. Issledovaniya Raboty Dvigatelya na Al'ternativnykh Toplivakh. Vestnik Belorusskoy Gos. Sel'skokhozyaystvennoy Akademii. 2016;4:115—117 (in Russian).
9. Levterov A.M., Levterova L.I., Gladkova N.Yu. Ispol'zovanie Al'ternativnykh Topliv v Transportnykh DVS. Avtomobil'nyy transport. 2010;27:61—64. (in Russian).
10. Evropeyskiy Opyt Utilizatsii Sbrosnogo Energopotentsiala Promyshlennykh Gazov [Elektron. Resurs] www.cogeneration.com.ua/ru/analytics/special-gas/hydrogen-utilization (Data Obrashcheniya 21.06.2019). (in Russian).
11. Mysnik M.I., Svistula A.E. Analiz Teplofizicheskikh Svoystv Al'ternativnykh Topliv Dlya Dvigateley Vnutrennego Sgoraniya. Polzunovskiy Vestnik. 2009;1—2: 37—43. (in Russian).
12. Gichev Yu.A. Proektno-konstruktorskie Resheniya po Ispol'zovaniyu Konverternogo Gaza dlya Nagreva Metalloloma. Sovremennaya Nauka: Issledovaniya, Idei, Rezul'taty, Tekhnologii. 2013;5:54—59. (in Russian).
13. Kuzemko R.D., Sushchenko A.V. Uluchshenie Teplovogo Balansa Konverternoy Plavki za Schet Regeniratsii Teploty Otkhodyashchikh Gazov. Vestnik Priazovskogo Gos. Tekhn. Un-ta. Seriya «Tekhnicheskie Nauki». 1998;6:62—69. (in Russian).
14. Gichev Yu.A., Zapototskaya A.Yu. Tekhnicheskie Resheniya i Effektivnost' Ispol'zovaniya Konverternogo Gaza dlya Obzhiga Izvestnyaka. Mezhdunarodnye Konferentsii: Lit'e, Metallurgiya. Zaporozh'e: Zaporozhskaya Torgovo-promyshlennaya Palata, 2015. (in Russian).
15. Maksimov A.A., Agapitov E.B. Sovershenstvovanie Energoeffektivnoy Skhemy Utilizatsii Konverternogo Gaza. Teplotekhnika i Informatika v Obrazovanii, Nauke i Proizvodstve: Sbornik Dokl. IV Vseros. Nauch.- prakt. Konf. Studentov, Aspirantov i Molodykh Uchenykh s Mezhdunar. Uchastiem. Ekaterinburg: Izd-vo UrFU, 2015:101—105. (in Russian).
16. Dremov A.N., Gridin S.V. Ispol'zovanie Gazov Staleplavil'nykh Konverterov v Kachestve Vtorichnykh Energoresursov. Metallurgiya XXI Stoletiya Glazami Molodykh: Sbornik Dokl. Vseukr. Nauch.-prakt. Konf. Studentov. Donetsk: Izd-vo DonNTU, 2013:143—144. (in Russian).
17. Stalinskiy D.V. i dr. Puti Povysheniya Effektivnogo Ispol'zovaniya Vtorichnykh Energoresursov (Toplivnykh Gazov) Metallurgicheskogo Proizvodstva. Ekologiya i Promyshlennost'. 2010;3:71—75. (in Russian).
18. Baptizmaiskiy V.I., Medzhibozhskiy M.Ya., Okhotskiy V.B. Konverternye Protsessy Proizvodstva Stali. Teoriya, Tekhnologiya, Konstruktsii Agregatov. Kiev: Vysshaya Shkola, 1984. (in Russian).
19. Rukovodstvo po Remontu Dvigateley Caterpillar [Elektron. Resurs] https://truckmanualshub.com/caterpillar-workshop-manuals-pdf (Data Obrashcheniya 21.06.2019). (in Russian).
20. Kulmanakov S.P., Kulmanakov S.S. Teplovoy Raschet DVS. Barnaul: Izd-vo AltGTU, 2014. (in Russian).
21. Sharoglazov B.A., Shishkov V.V. Porshnevye Dvigateli: Teoriya, Modelirovanie i Raschet Protsessov. Chelyabinsk: Izdat. Tsentr YUUrGU, 2011. (in Russian).
22. Sitting M. Protsessy okisleniya uglevodorodnogo syr'ya. M.: Khimiya, 1970. (in Russian).
23. Kalimullin R.F., Gorbachev S.V., Filippov A.A. Teplovoy Raschet Avtomobil'nykh Gazovykh Dvigateley: Metodicheskie Ukazaniya k Kursovomu Proektirovaniyu. Orenburg: Izd-vo GOU OGU, 2007. (in Russian).
---
For citation: Gubarev V.Ya., Spasibin A.Yu. Simulating the Operation of an Internal Combustion Engine on Converter Waste Gas. Bulletin of MPEI. 2019;6:50—57. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-50-57.
Published
2019-05-08
Section
Industrial Power System (05.14.04)