Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Study of hydrogen-methane flame structure in Sydney swirl stabilized burner using volumetric combustion model

Document Type : Original Article

Authors
Arman Hasanabadi 1
Shidvash Vakilipour 2
rassoul rahmati 3
1 School of Aerospace Engineering, College of Interdisciplinary Science and Technology, University of Tehran, Tehran, Iran
2 School of Aerospace Engineering, College of Interdisciplinary Science and Technology, University of Tehran, Tehran, Iran.
3 School of Aerospace Engineering, College of Interdisciplinary Science and Technology
10.22034/jfnc.2024.450512.1383
Abstract
In industrial applications, pollutants from the combustion of fossil fuels in gas turbines of power plants are being emitted, and therefore, the investigation of their emissions, especially in non-premixed flames, is of great importance. In this research, the effect of adding hydrogen to methane in a non-premixed methane-air flame is investigated using numerical simulation in OpenFOAM software. For this purpose, the combustion of methane-air in the Sydney swirl burner (SM1) is modeled using k-ε and k-ω SST-SAS turbulence models, P1 radiation model, and Partially Stirred Reactor (PaSR) volumetric combustion model. In this regard, the effect of hydrogen volumetric flow rate and the resulting temperature increase on the flame structure and combustion species is investigated. Also, the pattern of the secondary recirculation zone is shown in the non-reacting methane-air flow using the Large Eddy Simulation (LES) modeling. By adding hydrogen at the upstream, the high-temperature regions move away from the nozzle axis due to the rapid penetration of hydrogen. Also, with the addition of hydrogen, the lack of calculation of the secondary recirculation zone by the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) models, the high-temperature regions slightly increase in height. The reason for the reduction of carbon dioxide in the upstream is the decrease in the amount of hydrocarbon fuel and the incomplete combustion in the downstream and the increase in carbon monoxide.
 
Keywords
Non-premixed Flame
Sydney Swirl-Stabilized Burner
PaSR Model
OpenFOAM
Hydrogen Combustion

Subjects

در سال­های اخیر، مسئله گرم‌شدن جو زمین به یکی از بزرگ‌ترین نگرانی­های بشر در زمینه محیط‌زیست تبدیل شده است. تحقیقات نشان داده است که میان افزایش گازهای گلخانه­ای در جوّ و گرم‌شدن کره زمین ارتباط مستقیمی وجود دارد. در این میان، گازهای منواکسید و دی‌اکسیدکربن به‌عنوان یکی از مهم‌ترین گازهای گلخانه­ای شناخته شده که تجمع آن در جوّ زمین منجر به تغییرات قابل‌ملاحظه‌ای در شرایط آب و هوایی شده و این امر اثرات زیان­باری برای حیات بشر در پی خواهد داشت. یکی از اصلی‌ترین منابع تولید گازهای منواکسید و دی‌اکسیدکربن احتراق سوخت‌های فسیلی در موتورهای توربین‌های گازی است. امروزه، توربین‌های گازی به‌صورت گسترده در صنایع هوایی و تولید توان استفاده می­شود. اما استفاده از این موتورها نیازمند کنترل انتشار آلاینده­های ناشی از احتراق است [1]. تلاش‌های زیادی در مسیر جایگزینی سوخت­های مرسوم با سوخت­های سازگار با محیط و پاک انجام شده است. برای مثال افزودن هیدروژن به سوخت یا استفاده از آن به‌طور کامل به‌عنوان سوخت روش امیدوارکننده‌ای جهت رعایت قواعد سخت‌گیرانه زیست‌محیطی است [1، 2]. در چند سال گذشته استفاده از هیدروژن به‌عنوان یک سوخت افزودنی افزایش‌یافته است که دلایل آن می‌تواند، افزایش قیمت سوخت­های فسیلی و اثر نامطلوب انتشار گازهای خروجی ناشی از احتراق سوخت­های فسیلی بر شرایط جوی باشد. از مشخصه­های یک سوخت خوب در دسترس بودن و احتراق پاک آن سوخت است که هیدروژن دارای این شاخصه‌ها است [3]. افزودن هیدروژن عملکرد احتراق گاز طبیعی را بهبود بخشیده، انتشار کربن را کاهش داده و محدوده اشتعال گازهای طبیعی را گسترش می­دهد.

در راستای بررسی تأثیر گاز هیدروژن بر احتراق متان و هوا و همچنین انتشار آلاینده­های ناشی از آن، تحقیقات گسترده‌ای توسط محققین مختلف صورت گرفته است. عمادی و همکاران [4] یک مطالعه تجربی جهت مشاهده تأثیر افزودن هیدروژن بر دینامیک شعله متان– هوا انجام و گزارش دادند که افزودن هیدروژن به متان، مشخصه­های پایداری شعله مانند حد اشتعال و نرخ کرنش خاموشی را بهبود می­بخشد و نرخ احتراق با افزودن هیدروژن به متان افزایش پیدا می‌کند. شفر و همکاران [5] نشان دادند که افزودن هیدروژن به متان به مقدار قابل‌توجهی تشکیل کربن منواکسید را کاهش می­دهد. بوربانو و همکاران [6] نیز علت کاهش آلاینده­ها توسط هیدروژن را این‌گونه بیان کردند که افزودن هیدروژن به متان تأثیر به‌سزایی در افزایش غلظت رادیکال  OHدارد و این رادیکال­ها اکسیداسیون کربن منواکسید به کربن دی­اکسید را افزایش می‌دهد. راجپارا و همکاران [3] نیز نشان می­دهند که با ثابت بودن جریان سوخت حجمی افزودن هیدروژن موجب کاهش انتشار گونه­های متشکل از کربن، افزایش دمای شعله، کاهش ابعاد شعله و کاهش انتشار CO می­شود. به‌علت افزایش دمای شعله انتشار اکسیدهای نیتروژن NOX افزایش می­یابد. با ثابت بودن انرژی ورودی، شعله‌ها با غلظت هیدروژن بالاتر از نظر ابعاد کوتاه­تر و گسترده­تر هستند. مزیان و همکاران [7] همچنین بیان می­کنند که با تزریق مخلوط سوخت و هیدروژن به محفظه احتراق با سرعت ثابت، انتشار آلاینده­هایی مانند کربن منواکسید و اکسید‌های نیتروژن کاهش می­یابد. شیانگ و همکاران [8] با مطالعه آثار فیزیکی و شیمیایی افزودن هیدروژن بر احتراق پیش­آمیخته متان بیان می­کنند که اثر شیمیایی هیدروژن موجب افزایش دمای آدیاباتیک شعله و اثر فیزیکی آن موجب کاهش نرخ گرمای آزاد شده می­شود. رن و همکاران [9] نیز گزارش کردند که با تغلیظ سوخت با هیدروژن، دمای آدیاباتیک شعله و سرعت اشتعال در حالت آرام افزایش می‌یابد. همچنین میزان تولید رادیکال­های فعال H،O  و OH وابسته به سرعت اشتعال در حالت آرام است. بویوکاکین [10] و همکاران همچنین بیان می­کنند که با افزودن هیدروژن به متان، انتشار کربن کاهش می­یابد و این در حالی است که تشکیل NO حرارتی افزایش می­یابد. فو و همکاران [11] جهت بهبود عملکرد موتورهای گاز مایع متان و افزایش سرعت احتراق مخلوط، هیدروژن به سوخت افزودند و مشاهده کردند که ضمن افزایش سرعت احتراق مخلوط، با افزایش کسر انرژی هیدروژن، نرخ انرژی آزاد شده افزایش می­یابد. آن‌ها همچنین مشاهده کردند که با افزایش کسر انرژی هیدروژن بین 0 تا 20 درصد، انتشار اکسید­های نیتروژن افزایش می­یابد، در حالی که انتشار کربن منواکسید و کربن دی­اکسید به‌دلیل دمای احتراق بالاتر کاهش می­یابد. در پژوهشی دیگر، ایشان [12] سرعت اشتعال آرام مخلوط­های زیست‌گاز- هیدروژن- هوا با نسبت­های هم­ارزی و ترکیب مختلف را مطالعه نموده و بیان کردند که سرعت اشتعال آرام تقریباً به­صورت خطی با افزایش هیدروژن، افزایش یافته است. همچنین سینتیک شیمیایی سوخت بهبود و دمای آدیاباتیک شعله نیز افزایش یافته ­است. اوزتونا و همکاران [13] نیز با استفاده از نرم­افزار سیالاتی فلوئنت (Fluent) و مدل احتراقی فلیملت آرام پایا، جریان احتراقی را در محفظه احتراقی با پس‌فشار[1] به صورت شعله غیرپیش آمیخته متان - هیدروژن و هوا حل کردند و مشاهده کردند که دمای شعله کاهش و اختلاط واکنش­دهنده­ها به تبع کاهش طول شعله، بهتر انجام می­شود.

 جهت اعتبارسنجی شبیه­سازی موردنظر در این مقاله از مورد SM1 شعله پیچشی سیدنی استفاده شده است. این نوع مشعل توسط محققین شبیه­سازی عددی شده است که در ادامه به بعضی از آن­ها اشاره می­شود. در سال 2007، استین و همکاران [14] این مشعل را با استفاده از روش شبیه­سازی گردابه‌های بزرگ، حل کردند. مدل احتراقی استفاده شده، مدل فلیملت پایا بر پایه مکانیزم جزئی بود. در این پژوهش، ایشان جهت اعتبارسنجی جریان غیرواکنشی از مورد[2] غیرواکنشی N29S054 مشعل سیدنی استفاده کردند. برای اعتبارسنجی جریان واکنشی از نمونه شعله SMH1 که در آن سوخت ترکیبی از متان و هیدروژن است، استفاده کردند. در این تحقیق در کیس غیرواکنشی، پدیده شکست گردابه­ای در جریان را بررسی کردند و دریافتند که این پدیده به مقدار چرخش بسیار حساس است. همچنین دریافتند که پیش­بینی اثرات ناحیه گردابه­ای اولیه (در اثر جسم جداکننده) بر تداخل بین جت سوخت و جریان چرخشی هوا، بسیار دشوار است.

در سال 2008، کمف و همکاران [15] نیز این شعله را با هدف بررسی ساختار شعله و گرفتن نواحی بازگردشی جریان و همچنین پدیده شکست گردابه­ای موجود در شعله­ها بررسی کردند. در این مطالعه جهت بررسی جریان غیرواکنشی از مورد N29S054 و جریان واکنشی از موارد SM1، SMH1 و SMH2 استفاده کردند. نتایج نشان دادند که در جریان غیرواکنشی میان جریان آشفته و گرفتن نواحی بازگردشی و همچنین شکست گردابه­ای تطابق وجود دارد. اما در موارد واکنشی، رضایت کمی از نتایج حاصل شد. با این وجود روش شبیه­سازی گردابه بزرگ توانایی خود را در نمایش حالت ناپایداری شعله نشان داد.

در سال 2015، کشیر و همکاران [16] نیز برروی این شعله مطالعاتی انجام دادند. مطالعات آن­ها شامل بررسی اثرات افزودن هیدروژن با مقدار مختلف [15] به متان و تأثیر آن بر شاخصه­های احتراقی (مقدار حداکثر دما در شعله و انتشار کربن دی­اکسید) این شعله بود. در این بررسی از مدل فلیملت همراه با بررسی اثرات تشعشع به همراه مدل آشفتگی  استفاده شد. همچنین اثرات عدد چرخش با سه مقدار 3/0، 5/0 و 6/0 بررسی شد. نتایج بیانگر این موضوع بود که هرچند که نرخ کاهش طول شعله رابطه عکس با مقدار چرخش دارد اما با افزودن هیدروژن، طول شعله کاهش می­یابد. همچنین با افزایش مقدار هیدروژن، ناحیه با بالاترین مقدار دما به سمت بالا دست و نزدیک صفحه خروجی سوخت انتقال می­یابد و مقدار کربن منواکسید کاهش می­یابد.

در مطالعات قبلی برروی شعله مورد SM1 در مشعل پیچشی سیدنی از مدل­های احتراقی فلیملت به همراه مدل آشفتگی  استفاده شده است. در این مقاله در جهت کسب نتایج دقیق­تر گونه­های احتراقی سعی بر استفاده از مدل­های نرخ محدود مانند مدل واکنشگاه اختلاط جزئی[3] است. همچنین جهت استفاده از مدل آشفتگی k-ω SST-SAS که نتایج خوبی در بررسی جریانات برشی ارائه کرده است، اعتبارسنجی بر روی آن در مسائل احتراقی مدنظر صورت می­گیرد. تأثیر افزودن هیدروژن بر مشخصات فیزیکی و شیمیایی شعله SM1 و بررسی اثر احتراق بر میدان جریان سوخت و اکسیدکننده با استفاده از نرم­افزار [4]OpenFOAM شبیه­سازی شده و نتایج عددی با مقادیر آزمایشگاهی شعله مورد SM1 در مشعل پیچشی سیدنی مقایسه می‌شود. همچنین به‌منظور آشکارسازی ناحیه بازگردشی دوم، جریان غیرواکنشی با رهیافت شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ[5] تحلیل شده است. نتایج شبیه‌سازی حاکی از موفقیت رهیافت شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ در پیش‌بینی نواحی بازگردشی با گرادیان پایین است.

 

 

[1] Back-pressure

[2] Case

[3] Partially Stirred Reactor

[4] Open-Source Field Operation And Manipulation

[5] Large Eddy Simulation

[1]  K. Minakawa, T. Miyajima, S. Yuasa, K. Minakawa, T. Miyajima, and S. Yuasa, "Development of a hydrogen-fueled micro gas turbine with a lean premixed combustor," in 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit, 1997, p. 3388.
[2]  F. Cozzi and A. Coghe, "Behavior of hydrogen-enriched non-premixed swirled natural gas flames," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 31, no. 6, pp. 669-677, 2006.
[3]  P. Rajpara, R. Shah, and J. Banerjee, "Effect of hydrogen addition on combustion and emission characteristics of methane fuelled upward swirl can combustor," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, no. 36, pp. 17505-17519, 2018.
[4]  M. Emadi, D. Karkow, T. Salameh, A. Gohil, and A. Ratner, "Flame structure changes resulting from hydrogen-enrichment and pressurization for low-swirl premixed methane–air flames," international journal of hydrogen energy, vol. 37, no. 13, pp. 10397-10404, 2012.
[5]  R. Schefer, "Reduced Turbine Emissions Using Hydrogen-Enriched Fuels " Hydrogen, Fuel Cells, and Infrastructure Technologies, 2003.
[6]  H. J. Burbano, A. A. Amell, and J. M. García, "Effects of hydrogen addition to methane on the flame structure and CO emissions in atmospheric burners," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 33, no. 13, pp. 3410-3415, 2008.
[7]  S. Meziane and A. Bentebbiche, "Numerical study of blended fuel natural gas-hydrogen combustion in rich/quench/lean combustor of a micro gas turbine," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44, no. 29, pp. 15610-15621, 2019.
[8]  L. Xiang, H. Jiang, F. Ren, H. Chu, and P. Wang, "Numerical study of the physical and chemical effects of hydrogen addition on laminar premixed combustion characteristics of methane and ethane," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 39, pp. 20501-20514, 2020.
[9]  F. Ren, H. Chu, L. Xiang, W. Han, and M. Gu, "Effect of hydrogen addition on the laminar premixed combustion characteristics the main components of natural gas," Journal of the Energy Institute, vol. 92, no. 4, pp. 1178-1190, 2019.
[10]         M. K. Büyükakın and S. Öztuna, "Numerical investigation on hydrogen-enriched methane combustion in a domestic back-pressure boiler and non-premixed burner system from flame structure and pollutants aspect," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 60, pp. 35246-35256, 2020.
[11]         J. Fu et al., "Effects of hydrogen addition on combustion, thermodynamics and emission performance of high compression ratio liquid methane gas engine," Fuel, vol. 283, p. 119348, 2021.
[12]         Z. Wei, H. Zhen, J. Fu, C. Leung, C. Cheung, and Z. Huang, "Experimental and numerical study on the laminar burning velocity of hydrogen enriched biogas mixture," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44, no. 39, pp. 22240-22249, 2019.
[13]         S. Öztuna and M. K. Büyükakın, "Effects of hydrogen enrichment of methane on diffusion flame structure and emissions in a back-pressure combustion chamber," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 10, pp. 5971-5986, 2020.
[14]         O. Stein and A. Kempf, "LES of the Sydney swirl flame series: A study of vortex breakdown in isothermal and reacting flows," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 31, no. 2, pp. 1755-1763, 2007.
[15]         A. Kempf, W. Malalasekera, K. Ranga-Dinesh, and O. Stein, "Large eddy simulations of swirling non-premixed flames with flamelet models: a comparison of numerical methods," Flow, turbulence and combustion, vol. 81, pp. 523-561, 2008.
[16]         B. Kashir, S. Tabejamaat, and N. Jalalatian, "A numerical study on combustion characteristics of blended methane-hydrogen bluff-body stabilized swirl diffusion flames," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 40, no. 18, pp. 6243-6258, 2015.
[17]         T. Poinsot and D. Veynante, Theoretical and numerical combustion. RT Edwards, Inc., 2005.
[18]         F. chitgarha, "Simulation of Partially Premixed Considering Differential Diffusion in 2D Flamelet Combustion Model," 1398.In Persian
[19]         D. Galley, S. Ducruix, F. Lacas, and D. Veynante, "Mixing and stabilization study of a partially premixed swirling flame using laser induced fluorescence," Combustion and Flame, vol. 158, no. 1, pp. 155-171, 2011.
[20]         M. W. Chase, "NIST‐JANAF thermochemical tables for oxygen fluorides," Journal of physical and chemical reference data, vol. 25, no. 2, pp. 551-603, 1996.
[21]         J. Chomiak, "Combustion a study in theory, fact and application," 1990.
[22]         P. N. Nordin, Complex chemistry modeling of diesel spray combustion. Chalmers University of Technology Sweden, 2001.
[23]         Z. Li, M. Ferrarotti, A. Cuoci, and A. Parente, "Finite-rate chemistry modelling of non-conventional combustion regimes using a Partially-Stirred Reactor closure: Combustion model formulation and implementation details," Applied energy, vol. 225, pp. 637-655, 2018.
[24]         F. Menter, "Zonal two equation kw turbulence models for aerodynamic flows," in 23rd fluid dynamics, plasmadynamics, and lasers conference, 1993, p. 2906.
[25]         M. Salehi, "Assessment of the progress variable variance modelling on large-eddy simulation of turbulent premixed flames using flamelet-generated manifold model," Fuel And Combustion, 1400. In Persian
[26]         H. Pitsch, "Large-eddy simulation of turbulent combustion," Annu. Rev. Fluid Mech., vol. 38, pp. 453-482, 2006.
[27]         D. M. G. Gregory P. Smith, Michael Frenklach, Nigel W. Moriarty, Boris Eiteneer, Mikhail Goldenberg, C. Thomas Bowman, Ronald K. Hanson, Soonho Song, William C. Gardiner, Jr., Vitali V. Lissianski, and Zhiwei Qin. "http://www.me.berkeley.edu/gri_mech." (accessed.
[28]         P. A. Kalt, Y. M. Al-Abdell, A. R. Masri, and R. S. Barlow, "Swirling turbulent non-premixed flames of methane: flow field and compositional structure," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 29, no. 2, pp. 1913-1919, 2002.
[29]         Y. Yang and S. K. Kær, "Large-eddy simulations of the non-reactive flow in the Sydney swirl burner," International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 36, pp. 47-57, 2012.
[30]         X. Wu, K. D. Squires, and T. S. Lund, "Large eddy simulation of a spatially-developing boundary layer," in Proceedings of the 1995 ACM/IEEE conference on Supercomputing, 1995, pp. 67-es.
[31]         S. Zhong, F. Zhang, Q. Du, and Z. Peng, "Characteristics of reactivity controlled combustion with n-heptane low temperature reforming products," Fuel, vol. 275, p. 117980, 2020.
[32]         Y. M. Al-Abdeli and A. R. Masri, "Recirculation and flowfield regimes of unconfined non-reacting swirling flows," Experimental thermal and fluid science, vol. 27, no. 5, pp. 655-665, 2003.
[33]         W. Malalasekera, K. Ranga Dinesh, S. Ibrahim, and M. Kirkpatrick, "Large eddy simulation of isothermal turbulent swirling jets," Combustion Science and Technology, vol. 179, no. 8, pp. 1481-1525, 2007.
[34]         A. A. Hosseini, M. Ghodrat, M. Moghiman, and S. H. Pourhoseini, "Numerical study of inlet air swirl intensity effect of a Methane-Air Diffusion Flame on its combustion characteristics," Case Studies in Thermal Engineering, vol. 18, p. 100610, 2020.