 |
Nitrogénvegyületek reakciókinetikája égési rendszerekben
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
116117 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Turányi Tamás |
| magyar cím |
Nitrogénvegyületek reakciókinetikája égési rendszerekben |
| Angol cím |
Reaction kinetics of nitrogen compounds in combustion systems |
| magyar kulcsszavak |
nitrogénvegyületek, reakciókinetika, égéskémia |
| angol kulcsszavak |
nitrogen-containing species, reaction kinetics, combustion chemistry |
| megadott besorolás |
| Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % | | Ortelius tudományág: Fizikai kémia |
|
| zsűri |
Kémia 1 |
| Kutatóhely |
Kémiai Intézet (Eötvös Loránd Tudományegyetem) |
| résztvevők |
Busai Ágota
Kawka László
Olm Carsten
Pálvölgyi Róbert
Papp Máté
Zsély István Gyula
|
| projekt kezdete |
2016-01-01 |
| projekt vége |
2021-06-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
32.340 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
9.52 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A nitrogéntartalmú molekuláknak és gyököknek több száz elemi reakciója ismert égési rendszerekben. Az ezekből összeálló reakcióutak a körülményektől (hőmérséklet, nyomás, gázösszetétel) függően több alapvetően különböző módon képesek a levegő nitrogénjét és a tüzelőanyag nitrogéntartalmú vegyületeit NO-vá és N2O-vá átalakítani. Megint más reakcióutak fontosak, amikor az égéstermék-gáz NO tartalma N2-vé alakul át, ha a füstgázhoz metánt vagy ammóniát adagolnak. Jelenleg nem létezik olyan részletes reakciómechanizmus, amely mennyiségileg pontosan leírná a fenti folyamatokat. A kutatás fő célja ilyen reakciómechanizmus kidolgozása, amely jelentős előrelépést jelent az égéskémia egy fontos területén. Ez nem csak a kémiai ismeretek bővülését jelenti, de a kapott mechanizmus felhasználható lesz olyan számítógépes tervezési (CAD) programokban, amelyekkel tervezhetők lesznek környezetkímélő égetőberendezések, kazánok és belső égésű motorok.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A reakciókinetikai kísérletek két csoportra oszthatók: (1) indirekt mérések: globális jellemzők (pl. koncentrációk, gyulladási idők) mérése jól meghatározott laboratóriumi körülmények között reaktorokban és lángokban; (2) direkt mérések, amelyek célja az égések során lejátszódó elemi reakciók egyenkénti vizsgálata. A reakciómechanizmusok fejlesztésének hagyományos módja, hogy a direkt mérések eredményeként kapott sebességi paraméterértékeket használják a mechanizmusokban, majd a kapott mechanizmust az indirekt mérések eredményével tesztelik. Az így kifejlesztett mechanizmusok általában nem túl pontosak, mert a direkt mérések hibája nagy. Kifejlesztettünk egy módszert és egy számítógépes programcsaládot, amely egyszerre használja fel az összes rendelkezésre álló mérési adatot, és meghatározza meg a mechanizmus összes fontos paraméterét, valamint azok közös bizonytalansági tartományát. Ezt a módszert tervezzük alkalmazni a nitrogénvegyületek elemi reakcióinak vizsgálatára égési rendszerekben. A munka során összegyűjtjük, feldolgozzuk, és standard XML adatfilokban rögzítjük az összes eddig közölt, az égéseknél nitrogénvegyületek reakcióira vonatkozó direkt és indirekt mérési eredményt. Érzékenységszámítással azonosítjuk, hogy mely elemi reakciók fontosak az egyes mérési adatpontokban. Több lépcsőben, egy-egy elemi reakciócsaládra meghatározzuk a mérésekkel összhangban levő sebességi paramétereket. A munka eredményeképpen várhatóan egy olyan átfogó, égések során a nitrogénvegyületek reakcióit leíró reakciómechanizmust kapunk, amely valamennyi jó mérési eredményt reprodukálja azok bizonytalansági tartományán belül.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A levegőbe kerülő NO fotokémiai szmogot és savasesőt okoz, az N2O pedig a CO2-nél 300-szor hatékonyabb üvegházhatású gáz. Az NO legnagyobb forrása a kazánokban és autómotorokban lejátszódó égések. Az N2O jelentős része ugyancsak égések során keletkezik. A katalizátoros autók elterjedése jelentősen csökkentette ugyan az NO kibocsátását, de a további csökkentéshez már új módszereket is fel kell használni. Az új autómotorokat, háztartási és ipari kazánokat úgy kell tervezni, hogy eleve ne keletkezzen NO és N2O, vagy ezek még a kibocsátás előtt N2-vé alakuljanak. Újabb lehetőség, ha a végtermék gázokhoz olyan anyagokat adnak, amelyek az NO-t visszalakítják N2-vé. A számítógépes tervezőprogramokkal tervezett kazánoknál és motoroknál az egyik optimalizálási cél az NO és N2O kibocsátás csökkentése. Ennek egyik akadálya, hogy jelenleg nem létezik olyan kémiai kinetikai modell, amely pontosan leírná a nitrogénvegyületek átalakulásait égések során. A tervezett kutatás célja egy olyan kémiai modell kidolgozása, amely mennyiségileg pontosan írja le az NO és N2O keletkezését a levegő és a tözelőanyag nitrogénjéből, és a keletkezett nitrogénvegyületek visszaalakítását N2-vé még az égés során. A modell segítségével pontosan le lehet majd azt is írni, hogyan lehet a füstgázok NO tartalmát N2-vé alakítani metán vagy ammónia hozzáadásával. Ez a kémiai modell felhasználható lesz kis NO és N2O kibocsátású kazánok és autómotorok tervezésénél.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A nitrogénoxidok (elsősorban NO és N2O) jelentős része lakossági és ipari égési folyamatok nyomán kerül a levegőbe, és sokféle környezeti kárt okoz. Számítógépes tervezőprogramokkal lehetséges hatékony és környezetkímélő belső égésű motorokat és kazánokat tervezni, azonban gyakran jelentős eltérések vannak a számítási eredmények és a megépített prototípuson mért értékek között. Ennek a fő oka, hogy az égések kémiája sok folyamat esetén még nem ismert mennyiségileg pontosan. Az egyik ilyen folyamat a nitrogénoxidok keletkezése égések során. A kutatási program célja, hogy összegyűjtse a tudományos szakirodalomban eddig közölt összes idetartozó laboratóriumi mérési eredményt, és azok feldolgozásával egy olyan kémiai modellt állítson elő, amely valamennyi jó mérési eredményt reprodukálja azok bizonytalansági tartományán belül. A feldolgozott mérési adatokat egy standard adatformátumban mások számára is közzétesszük. A kutatás fő eredményei egy eddiginél pontosabb kémiai modell, amit környezetvédelmi célú tervezőmunkánál fel lehet használni, valamint az összes meghatározott parameter becsült bizonytalansága. Ez utóbbi felhasználásával számítani lehet majd a megtervezett berendezés tervezőprogramja eredményének pontatlanságát, ami további segítséget jelent a mérnöki munkához.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Several hundred elementary reactions of nitrogen-containing molecules and radicals are known in combustion systems. The reaction pathways, composed from these elementary reactions at various conditions (temperature, pressure, gas composition) can convert the N2 of the air and the nitrogen compounds of the fuel to NO and N2O in basically different ways. Other pathways are important, when the NO content of the exhaust gas is converted to N2, as a result of adding methane or NH3 to the flue gas. Currently no detailed reaction mechanism is available that describes all these processes in a quantitative way. The main aim of the proposed research project is the elaboration of such a reaction mechanism, which could be a major achievement in combustion chemistry. The consequence is not only the expansion of chemical knowledge, but also the obtained mechanism can be utilized in computer aided design (CAD) codes, which facilitate the planning of burners, furnaces and internal combustion engines with low environmental load.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Reaction kinetics experimental data can be divided to two categories: (i) indirect measurements for the determination of global features (e.g. concentrations, times to ignition) at well-defined laboratory conditions in reactors and flames; (ii) direct measurements: investigation of the parameters of an elementary reaction separately. The traditional way of the development of detailed reaction mechanisms is that the rate parameters obtained in direct measurements are used, and the obtained mechanism is tested against the results of indirect measurements. The mechanisms developed this way are usually not very accurate, due to the large uncertainty of the results of direct measurements. We have developed a series of methods and computational tools, which utilize simultaneously all available experimental data, and determine the values of all important rate parameters and also their joint domain of uncertainty. This method will be used for the investigation of elementary reactions of nitrogen-containing species in combustion systems. All published direct and indirect experimental data related to nitrogen compounds in combustion will be collected, processed, and encoded in a standard XML format. Sensitivity analysis will be used for the identification of the important elementary reactions at each data point. Rate parameters that are in accordance with the experimental data will be determined in several stages, for groups of related reactions. The expected result of the work is a comprehensive reaction mechanism that describes the reactions of nitrogen compounds during combustion, which is able to reproduce the results of all good measurements within their uncertainty limits.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
NO emitted to the atmosphere causes photochemical smog and acid rain, while N2O is a greenhouse gas, which is 300 times more effective than CO2. The most significant source of NO in the atmosphere is combustion, mainly furnaces and internal combustion engines. A great part of N2O is also produced during combustion. The widespread usage of cars with catalysts significantly decreased the anthropogenic NO emission, but applications of novel methods are needed for a further decrease of emission. The new automotive engines, household and industrial furnaces have to be designed in such a way that the production of NO and N2O is avoided, or these produced species are converted to N2 before emission. Another possibility is adding chemicals to the flue gas that convert NO back to N2. At the Computer Aided Design (CAD) of furnaces and engines one of the optimization targets is the decrease of the emission of NO and N2O. The efficient application of this approach is hindered by the lack of an chemical kinetic model that accurately describes the reactions of nitrogen compounds in combustion systems. The aim of the planned research project is the elaboration of a chemical kinetic model that quantitatively describes the formation of NO and N2O from the nitrogen content of the air and the fuel, and also the conversion of the nitrogen compounds formed back to N2. Using this model, the conversion of the NO of the flue gas to N2 can be accurately simulated due to the addition of methane or ammonia. This chemical model will be applicable at the design of furnaces and automotive engines with low emission of NO and N2O.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
A great part of nitrogen oxides (mainly NO and N2O) is emitted to the air from household and industrial combustion devices, and cause a wide range of environmental problems. Efficient and environmental friendly internal combustion engines and furnaces can be planned using computer aided design (CAD) codes, but frequently there are significant differences between the simulation results and the values measured on the prototypes. The main reason of it is that the chemistry of combustion is not known quantitatively for many processes, including the production of nitrogen oxides during combustion. The aim the proposed project is the collection of all published related laboratory experimental data, and using these data for the elaboration of a chemical model that reproduces all good measurements within their uncertainty limits. The processed data will be published using a standard data format. The main results of the project are an accurate chemical model that can be used for environment-minded engineering design works, and also the calculation of the uncertainty of all determined parameters. This information will allow the assessment of the uncertainty of the CAD results, which provides a significant support for engineering development works.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
