بررسی عددی افزودن بخارآب به هوای احتراق دیگ بخار صنعتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه تربیت مدرس

10.22034/jfnc.2021.241724.1237

چکیده

چکیده
مسائل زیست­‌ محیطی و آلودگی هوا در سال‌های اخیر توجه بسیاری را به­ خود جلب کرده است. نیروگاه‌های حرارتی ازجمله عوامل آلوده‌کننده هوایند. یکی از راهکارهایی که برای احتراق بهتر و آلایندگی کمتر در سیستم‌های احتراقی، ازجمله توربین‌های گاز، به­ کار رفته ایده افزودن بخار آب است. در این تحقیق، مد نظر بوده تا با ایده افزودن بخار آب به توربین گازی کاری مشابه در دیگ‌های بخار انجام شود که برای این کار یک محفظه احتراق تک­مشعل متقارن محوری 11 مگاواتی با استفاده از نرم‌افزار متن‌باز OpenFoam و حلگر ReactingFoam مدل شده ‌است. برای شبیه‌سازی، معادلات بقای جرم، تکانه، انرژی و گونه به‌صورت کوپل باهم حل شدند و تصحیح فشار در معادلات تکانه طبق الگوریتم PIMPLE انجام‌ شده است. مدل به­کاررفته برای اغتشاش مدل ، مدل تشعشعی fvDOM، مدل احتراقی استفاده‌شده PaSR و مکانیزم واکنش GRI-3 بوده که شامل 53 گونه و 325 واکنش است. برای اعتبارسنجی حلگر و مدل‌های به­کاررفته، از مسئله معیاری استفاده شده که یک مشعل ساده بوده و نتایج تجربی آن موجود است. بعد از اثبات صحت حل، مسئله ذکرشده شبیه‌سازی شد که مشاهده شد در محفظه احتراق در حالت هوای خشک دما و به‌تبع آن ناکس تولیدی زیاد است. دمای شعله در محفظه بعد از تزریق بخار در سه نسبت 5، 10 و 15 درصد از کل هوای ورودی کمتر شده به­صورتی که دمای شعله 370 درجه کلوین پایین آمد و همچنین مقدار NO خروجی 81 درصد و مقدار  خروجی 76 درصد کاهش پیدا کرد، اما مقدار خروجی OH 7/2 برابر شد. در عین ‌حال، آلایندگی‌های کربنی و به‌طور خاص برای گونه CO، که مورد توجه تحقیق حاضر است، 58 درصد افزایش یافت و به مقدار ppm 17 رسید، اما همچنان از استاندارهای ملی و اروپایی بسیار کمتر بود.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical investigation of adding water vapor to air of combustion in an industrial boiler

نویسندگان [English]

  • kiumars mazaheri
  • ali zarei
tarbiat modares university
چکیده [English]

Environmental issues and air pollution have attracted a lot of attention in recent years. Thermal power plants are among the air pollutants. One of the solutions used for better combustion and less pollution in other combustion systems, including gas turbines, is the idea of ​​water vapor injection. In this study, it was considered that with the idea of ​​adding water vapor to the gas turbine, a similar work would be done in the boilers, for which in this research, a 11 Megawatts single axisymmetric burner in the form of two dimension is modeled using the open source software OpenFoam and the ReactingFoam solver. For simulation, the equations for mass, momentum, energy, and species conservation were solved together as a coupling, and the pressure corrections in the momentum equations was performed according to the PIMPLE algorithm. The model used for the turbulence is the  model, the radiation model fvDOM, the combustion model used PaSR model and the reaction mechanism GRI-3, which includes 53 species and 325 reactions. To validate the solver and the models used, a standard problem was used which is a simple burner and its experimental results are available. After proving the correctness of the solution, the mentioned problem was simulated. It was observed that in the dry air combustion chamber, the temperature and, consequently, the NOx output are high. The flame temperature decreased after the steam injection in three proportions by 5, 10, and 15% of the total inlet air, so that the temperature in the axisymmetric boiler decreased by 370 Kelvin. Also, in the axisymmetric boiler, the amount of NO output decreased 81 % and the amount of output decreased 76%. However, carbon pollutants, specifically for CO which was important in this studyincreased by 58% to 17 ppm but was still much lower than national and European standards.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • boiler
  • Power plant
  • Energy
  • Simulation
  • burner
  • solver
D. Zhao, H. Yamashita, K. Kitagawa, N. Arai, T. Furuhata, “Behavior and effect on NOx formation of OH radical in methane-air diffusion flame with steam addition” Combustion and Flame, Volume 130, Issue 4, 2002, Pages 352-360.
A. Parlak, V. Ayhan, Y. Üst, B. Şahin, “New method to reduce NOx emissions of diesel engines: electronically controlled steam injection system”, Journal of the Energy Institute, 2012, 85:3, 135-139.
C. L.Vandervort, 2001. “9 ppm Nox/CO Combustion System for “F” Class Industrial Gas Turbine”, ASME, Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 123, pp. 317-321.
A. S.Feitelberg, V. E. Tangirala, R. A. Elliot, R. E.Power Pavri, R. B. Schiefer, 2001. “Reduced NOx Diffusion Flame Combustors for Industrial Gas Turbine”, ASME, Journal of Engineering for Gas Turbine and, 123, pp. 757-765.
CE Blakeslee, HE Burbach, “Controlling NOx Emissions From Steam Generators”, Journal of the Air Pollution Control Association, 23(1), 1973, 37-42.  
F.Nasoori, A.L.A.Nasab, E.Esmaieli, R.B.Shahvari “The effect of relative humidity on methane combustion process with emphasis on equilibrium method”, Journal of Fuel and Combustion, Iran, 2008 (in persian)
C. V. Huynh, S. C. Kong “Combustion and NOx emissions of biomass-derived syngas under various gasification conditions utilizing oxygen-enriched-air and steam” Fuel, Volume 107, 2013, 455-464.
K.Abbasi.Khazaei, A.A.Hamidi, M.Rahimi "Numerical modeling and simulation of highly preheated and diluted air combustion furnaces." International Journal of Engineering 22.2 (2009): 107-118.
Open FOAM The open source CFD Toolbox User guide Version 6.1.0," ed, December , 2018; http://www.openfoam.org.
T. Poinsot and D. Veynante, Theoretical and numerical combustion London , UK: RT Edwards, 2005.
G. Heidarinejad, An Introduction to TURBULENCE, 2 ed. Tehran: Tarbiat Modares University, 2014.
F. R. Menter, “Zonal Two Equation K-Turbulence Models for Aerodynamic Flows,” 24th Fluid Dynamics Conference, Ornaldo, Florida, 1993.
J. Chomiak, A. Karlsson, "Flame liftoff in diesel sprays," Symposium (International) on Combustion, vol. vol. 26, no. 2, pp. 2557–2564, 1996.
P. N. Nordin, Complex Chemistry Modeling of Diesel Spray Combustion, PhD Thesis, Department of Mechanical Engineering, Chalmers University of Technology, Sweden, 2001.
F. C. Lockwood, N. G. Shah, F. Section, and M. Carlo, "A new radiation solution method for incorporation in general combustion prediction procedures," Symposium (International) on Combustion, vol. vol. 18, no. 1, pp. 1405–1414, 1981.
H. K. Versteeg, W. Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics, The Finite Volume Method, London, Longman Group, 2007, pp. 432-435.
A. H. Kadar, Modelling Turbulent Non-Premixed Combustion in Industrial Furnaces Using the Open Source Toolbox OpenFOAM, MSc Thesis, Delft University of Technology, Netherlands, 2015.
S. O .Garre´ton D, "Aerodynamics of steady statecombustion chambers and furnaces," ASCF Ercoftac CFD Workshop, vol. pp 17-18, 1994.
S. R. Turns, An introduction to combustion. McGraw-hill New York, 1996.
Regulations and Environmental Standards, Accessed 16 January 2016; http://wamp.tavanir.org.ir/rule/getFile/?id=2041. (In Persian)
A. Almasi, F. Asadi and M. Mohammadi, “The Amount of Emissions from Saman Cement Factory Kermanshah in the Year 1390-1391,” Journal of Health in the Field, No. 2, 2013, pp. 36-43. (In Persian)
Testo Catalogue, Flue Gas Analysis in Industry, 2010.