Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

The effect of functional parameters includes thermal power, fuel to air ratio, and syngas composition on thermal conditions and flame structure under MILD and HTC regimes

Document Type : Original Article

Authors
Ahmad Shaker 1
Esmaeil Ebrahimi Fordoei 2
1 PHD Student at Kashan University
2 Associated Professor of Mechanical Engineering at Tafresh University
10.22034/jfnc.2024.468559.1401
Abstract
 
The purpose of current research is to evaluate the effect of functional parameters including power, equivalence ratio, and syngas composition on thermal conditions and flame structure under MILD and HTC regimes. The simulation of the combustion furnace of the University of Lisbon has been implemented by using the standard k-ε turbulence model and the modified EDC model. The investigated functional parameters consist the furnace powers of 5 and 16 kW, equivalence ratios of 0.1, 0.2, 0.4, and 0.6, and the H2/CO mass fraction ratio of 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, and 0.3. The results illustrated that under MILD regime, the temperature distribution was more uniform than HTC regime, and achiving MILD regime requires ignition delay time to reach a significant level of mixture dillution. Also, the power inhancement has facilitated the formation of MILD regime, while the increase in H2 content in fuel blend at specified of furnace power due to the decrease in the velocity of fuel flow and as a result the reduction in the recirculation rate of combustion products leads to the transfer to HTC regime. According to the obtained results, if there is a significant change in the investigated functional parameters, essential modification of the furnace design to achieve MILD regime should be desired.
 
Keywords
MILD combustion
HTC combustion
Temperature distribution
Syngas combustion
Flame structure

Subjects

افزایش قابل‌توجهی در تقاضای انرژی در هر دو بخش صنعتی و خانگی در سطح جهان وجود دارد. عمده‌ترین آسیب‌های استفاده از سوخت‌های فسیلی، افزایش گرمایش جهانی و آلودگی محیط‌زیست است. مقررات انتشار آلاینده‌ها از کاربردهای مختلف تولید انرژی سخت‌گیرانه شده‌اند. این مسئله سبب شده است تحقیقات وسیعی در زمینه احتراق پاک صورت گیرد. یکی از سوخت‌های موردنظر سوخت گاز سنتز است. گاز سنتز یک مخلوط سوخت گازی کم کربن است که عمدتاً از H2 و CO با ناخالصی‌های کوچک مانند CH4، C2H4 و غیره تشکیل شده است. سوخت کم کالری گاز سنتز توجه زیادی را به خود جلب کرده است که امروزه به دلیل ذخایر زیاد و محتوای انرژی بالا، یکی از منابع انرژی جایگزین سوخت‌های فسیلی تلقی شده و تحقیق روی آن به‌عنوان یک جانشین امیدوارکننده جهت رفع مشکلات مذکور در حال انجام است. حمدی و همکاران [1] به ویژگی‌های احتراقی گاز سنتز تحت شرایط احتراق سوخت-اکسیژن در شرایط رقیق‌سازی صورت گرفته با گونه CO2 پرداخته‌اند. در این پژوهش، برای طیف وسیعی از ترکیبات گاز سنتز با سرعت جریان ورودی 6 متر بر ثانیه، نسبت هم ارزی 42/0 و کسر مولی 60 درصد برای اکسیژن در ترکیب اکسیدکننده مدل‌سازی انجام شده است. بررسی‌ها نشان می‌دهد افزایش کسر مولی H2 در ساختار سوخت، منجر به افزایش سرعت شعله و دما شده، اما با کاهش قدرت همراه است. درحالی‌که سرعت شعله، دما و توان با افزایش کسر مولی گونه CO در ترکیب سوخت کاهش‌یافته است. چاوس و درایر [2] مطالعات تجربی خود را در مورد احتراق گاز سنتز در فشارهای بالا و دماهای نسبتاً پایین (مشابه شرایطی که معمولاً در توربین‌های گازی رخ می‌دهد) ارائه نموده‌ و سینتیک شیمیایی گاز سنتز را مورد ارزیابی قرار داده‌اند. آن‌ها به اهمیت واکنش‌های اولیه شامل گونه‌های HO2 و H2O2 اشاره کرده‌اند. این گروه همچنین گزارش داده‌اند که رفتار مشابهی از مخلوط‌های گاز سنتز با تفاوت‌های جزئی از حضور مونوکسید کربن در ساختار سوخت، در نتیجه مکانیزم‌های سینتیک شیمیایی هیدروژن-اکسیژن به دست می‌آید. در واقع نتایج ایشان نشان می‌دهد که سطح بالای هیدروژن در ساختار سوخت، منجر به رفتار تقریباً یکسان در فرآیندهای احتراقی می‌شود. در مقاله وانگ و همکاران [3]، اثرات افزودن متان بر ویژگی‌های احتراق شعله جریان آرام گاز سنتز با محتوی H2 بالا (نسبت سوخت H2/CO  برابر 3) با آزمایش‌های تجربی و شبیه‌سازی‌های عددی تحت رقیق‌سازی N2 و CO2 مورد بررسی واقع شده است. بررسی‌ها مشخص می‌کند که افزودن CH4 به سوخت گاز سنتز، سرعت سوختن آرام را کاهش داده، اما پایداری شعله را بهبود بخشیده است. همچنین در رقیق‌سازی با گونه CO2 نسبت به گونهN2 ، شعله پایدارتر بوده و تولید NO روند کاهشی داشته است.

بدون شک دستیابی به احتراق مایلد (MILD)، توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است. این میزان از توجه محققین به دلیل ویژگی‌های این احتراق شامل بازده بالا و انتشار پایین آلاینده NO است. در واقع احتراق MILD یک فناوری احتراق به روز است که علاوه بر موارد مذکور، ایجاد شار حرارتی یکنواخت در محفظه احتراق [4] و سرعت واکنش پایین [5] را منجر می‌شود. از طرفی، گاز سنتز حاوی مقدار قابل‌توجهی H2 دارای زمان تأخیر احتراق کوتاه و دمای شعله آدیاباتیک بالا بوده و می‌توان با استفاده از آن تحت رژیم احتراق MILD نتایج مؤثری جهت غلبه بر چالش‌های فرآیندهای احتراقی به دست آورد [6]. به عبارت دیگر، ترکیب هر دو رویکرد ذکر شده با هم (یعنی رژیم احتراق MILD و غنی‌سازی هیدروژن سوخت‌های گاز سنتز) برای داشتن احتراق تمیزتر و کارآمدتر با حساسیت کمتر نسبت به ترکیب سوخت، توسط ایشان پیشنهاد شده است. خبازیان و همکاران [7] به‌طور تجربی و عددی تأثیر دمای پیش‌گرمایش بر انتشار NO تحت احتراق MILD در مشعل حرارتی با توان 100 کیلووات را بررسی کرد‌ه‌اند. به‌منظور ارزیابی نتایج عددی از آنالیز واکنشگاه اختلاط ایده‌آل در شرایط غیر آدیاباتیک دیواره کوره استفاده شده است. ایشان نشان دادند که با ایجاد نقشه احتراق جدید، کاهش 13 درصدی در تولید آلاینده NO و بهبود 10 درصدی در راندمان مشاهده می‌گردد. عملکرد حرارتی کوره غیر پیش آمیخته و پایداری شعله تحت تأثیر دمای دیواره کوره برای شرایط مختلف احتراقی توسط ژو و همکاران [8] به‌صورت عددی و تجربی ارزیابی شده است. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، انتقال از رژیم احتراق معمولی به رژیم احتراق MILD با کاهش دمای دیواره امکان‌پذیر است. این موضوع به نوبه خود منجر به کاهش میزان تولید آلاینده NO نیز خواهد شد. لازم به ذکر است حد دمای کمینه‌ای وجود دارد که در مقادیر کمتر از آن، امکان دستیابی به شرایط احتراق MILD فراهم نمی‌گردد. همچنین نتایج بیانگر این مطلب است که افزایش دمای دیواره منجر به کاهش اتلاف حرارت از دیواره کوره و کاهش زمان تأخیر در اشتعال می‌شود. بویاقچی و همکاران [9] در پژوهش خود به بررسی اثر شرایط حرارتی دیواره کوره بر انتشار NO در دماهای ورودی مختلف و سطوح مختلف رقیق‌سازی اکسیدکننده پرداخته‌اند. ایشان دریافتند که تلفات حرارتی بالاتر از دیوار و جایگزینی بیشتر CO2 با N2، استقرار رژیم MILD و کاهش قابل توجه تولید NO را تسهیل می‌کند. مکانیزم‌‌‌های غالب در انتشار NO تحت شرایط احتراق MILD، مکانیزم سریع از طریق واکنش CH+N2⇌HCN+N و مکانیزم حرارتی برای شرایط سوخت-هوا و مکانیزم N2O-میانی توسط واکنش‌های N2O+O⇌2NO و N2O+H⇌N2+OH و مکانیزم حرارتی برای احتراق سوخت-اکسیژن معرفی شده است.

از لحاظ محاسبات سینتیکی، اثرات فیزیکی و شیمیایی حضور گونه CO2 در ساختار اکسیدکننده را می‌توان آنالیز نمود. به‌عنوان نمونه، لیو و همکاران [10] به‌صورت تجربی و عددی، تحقیق خود را مبنی بر بررسی سینتیکی تأثیر جایگزینی CO2 با N2 در راستای مطالعه تأخیر در اشتعال احتراق سوخت CH4 تحت فشارها و دماهای ورودی مختلف انجام داده‌اند. نتایج تأکید می‌کند که اثرات شیمیایی جایگزینی CO2 با N2 منجر به تغییرات اساسی در مقدار تأخیر در اشتعال برای فشارها و دماهای مختلف شده، درحالی‌که اثرات فیزیکی تأثیر ناچیزی بر مقدار این پارامتر دارند. علاوه بر این، کاهش فشار از طریق مسیر2CH3(+M)⇌C2H6(+M)  منجر به افزایش زمان تأخیر در اشتعال شده و افزایش دما منجر به فعال‌سازی بیشتر مسیر HCO+M⇌ H+CO+M گشته و این بدان معنی است کاهش زمان تأخیر در اشتعال را به همراه دارد. این موضوع را می‌توان با اعمال گونه خنثی VCO2 در محاسبات سینتیکی نیز ارزیابی نمود. گونه مذکور خواص فیزیکی مشابه CO2 را داشته ولی در واکنش‌های شیمیایی حضور ندارد. تفاوت نتایج به‌دست‌آمده بین شرایط به‌کارگیری گونه VCO2 و N2 بیانگر اثرات فیزیکی و تفاوت نتایج استفاده از گونه VCO2 و CO2 بیانگر اثرات شیمیایی مربوطه است [11].

ترکیب اکسنده پارامتر مهم دیگری است که اخیراً برای کاهش انتشار آلاینده‌ها، گازهای گلخانه‌ای و رفتار شعله در کوره‌ها موردتوجه قرار گرفته است. سورنتینو و همکاران [12] اثر پارامترهای متعدد ازجمله سطح رقیق‌سازی و ترکیب مخلوط ورودی را بر انتشار NO در پیکربندی مشعل سیکلونی ارزیابی نموده‌اند. آن‌ها بیان کردند که میزان تولید آلاینده NO به‌تدریج بر اساس کاهش دمای سیستم با افزایش سطح رقیق‌سازی (XN2> 0.84) کاهش می‌یابد، درحالی‌که افزایش سطح اکسیژن در ترکیبات اکسیدکننده منجر به تقویت انتشار NO، به‌ویژه از طریق مکانیزم حرارتی می‌شود. مطالعه ساختار شعله سوخت گاز سنتز تحت شرایط سوخت-اکسیژن، اکسیژن غنی و سوخت-هوا توسط شاکر و همکاران [13] انجام شده است. در تحقیقات این گروه کسر مولی اکسیژن در ساختار اکسیدکننده نیز موردتوجه قرار گرفته است. نتایج ایشان حاکی از این مطلب است که در سطح غلظت پایین اکسیژن، اثرات فیزیکی جایگزینی CO2 با N2 در بررسی ساختار شعله غالب است. ارتقای سطح غلظت اکسیژن سبب شده است تا سهم تأثیرات شیمیایی و فیزیکی در تولید گونه رادیکال هیدروکسیل مشابه شوند. در مطالعه دیگری گوئودونگ و همکاران [14] نتایج مکانیزم‌های تولید NO را برای شبیه‌سازی احتراق جریان متقابل با ترکیب سوخت H2/CO و استفاده از گونه‌های رقیق کننده N2/CO2/H2O گزارش کرده‌اند. در این پژوهش نیز اثرات تغییرات کسر حجمی اکسیژن بررسی شده است آن‌ها با مقدار کم نسبت سوخت H2/CO ((H2/CO<0.25 و کسر حجمی پایین اکسیژن (XO2<15٪) استنباط کردند که انتشار آلاینده NO تحت رژیم MILD به حداقل می‌رسد. مهرگان و همکاران [15] تأثیر غلظت اکسیژن، دمای پیش‌گرمایش و گونه‌های رقیق‌سازی را بر انتشار آلاینده NO در رژیم احتراق مایلد به‌صورت عددی ارزیابی کرده‌اند. آن‌ها اهمیت این سه عامل را در تشکیل آلاینده NO در قالب نسبت مشارکت تعیین نموده‌اند. تحلیل نتایج نشان می‌دهد که نسبت سهم غلظت اکسیژن و دمای پیش‌گرمایش ورودی به ترتیب 57درصد و 32درصد است. علاوه بر این، آن‌ها اشاره کردند که N2 یک گونه رقیق‌سازی بهینه است، درحالی‌که جهت به حداقل رساندن انتشار آلاینده NO مقادیر توصیه شده برای کسر مولی اکسیژن 5 درصد و میزان دمای پیش‌گرمایش 900 کلوین است.

با توجه به مطالب بیان شده، اغلب پژوهش‌های انجام شده در ارتباط با احتراق گاز سنتز تحت رژیم مایلد یا دما بالا مربوط به بررسی شرایط ساختار شعله و تأخیر در اشتعال بدون توجه به شرایط عملکردی و ثابت نگه‌داشتن آن‌ها در بررسی متغیرهای مختلف است. شرایط عملکردی ازجمله توان کوره، نسبت سوخت به هوا و ترکیب سوخت گاز سنتز تأثیر به سزایی در شرایط حرارتی و ساختار شعله تحت شرایط احتراق مایلد و دما بالا دارند. از این‌رو در مطالعه حاضر به بررسی تأثیر پارامترهای عملکردی مستقل (تغییر هر پارامتر عملکردی با ثابت نگه‌داشتن سایر پارامترها انجام شده است) روی شرایط حرارتی و ساختار شعله تحت رژیم‌های مایلد و دما بالا انجام شده است. بدین منظور شبیه‌سازی کوره احتراق دانشگاه لیسبون با توجه به وجود داده‌های تجربی در هر دو رژیم دما بالا و مایلد برای آن موردتوجه قرار گرفته است. در تحقیق جاری به این منظور بررسی توزیع دما به‌منظور بررسی شرایط حرارتی به همراه توزیع گونه رادیکال هیدروکسیل جهت بررسی ساختار شعله و تغییرات تأخیر در اشتعال برای شرایط مختلف بررسی شده است.

[1]  M. Hamdy, A. Abdelhalim, M. A. Haque, A. Abdelhafez, and M. A. Nemitallah, "Flow, combustion and species fields of premixed CH4/H2/CO syngas oxy-flames on a swirl burner: Effects of syngas composition," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 68, pp. 1398-1411, 2024.
[2]  M. Chaos and F. L. Dryer, "Syngas combustion kinetics and applications," Combustion Science and Technology, vol. 180, no. 6, pp. 1053-1096, 2008.
[3]  F. Wang, C. Xiao, D. Zhang, X. Wen, H. Deng, and G. Chen, "The effect of CH4 addition on high-H2 syngas combustion characteristics under N2/CO2 dilution," Journal of the Energy Institute, vol. 114, no. 101600, 2024.
[4]  Z. Zhang et al., "Computational study on the effect of gasification reaction on pulverized coal MILD combustion diluted by N2 and CO2," Applied Thermal Engineering, vol. 158, p. 113806, 2019.
[5]  A. Parente, M. R. Malik, F. Contino, A. Cuoci, and B. B. Dally, "Extension of the Eddy Dissipation Concept for turbulence/chemistry interactions to MILD combustion," Fuel, vol. 163, pp. 98-111, 2016.
[6]  A. Mardani and H. K. M. Mahalegi, "Hydrogen enrichment of methane and syngas for MILD combustion," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44, no. 18, pp. 9423-9437, 2019.
[7]  G. Khabbazian, J. Aminian, and R. H. Khoshkhoo, "Experimental and numerical investigation of MILD combustion in a pilot-scale water heater," Energy, vol. 239, p. 121888, 2022.
[8]  S. Xu et al., "Effects of wall temperature on methane MILD combustion and heat transfer behaviors with non-preheated air," Applied Thermal Engineering, vol. 174, p. 115282, 2020.
[9]  A. Shaker, E. E. Fordoei, and F. A. Boyaghchi, "Study of NO emission from CH4-air, oxygen-enriched, and oxy-CH4 combustion under HTC and MILD regimes: Impact of wall thermal condition in different oxidant temperature and dilution level," Energy, vol. 277, p. 127683, 2023.
[10]         Y. Liu, C. Zou, J. Cheng, H. Jia, and C. Zheng, "Experimental and numerical study of the effect of CO2 on the ignition delay times of methane under different pressures and temperatures," Energy & fuels, vol. 32, no. 10, pp. 10999-11009, 2018.
[11]         E. E. Fordoei, K. Mazaheri, and A. Mohammadpour, "Effects of hydrogen addition to methane on the thermal and ignition delay characteristics of fuel-air, oxygen-enriched and oxy-fuel MILD combustion," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 46, no. 68, pp. 34002-34017, 2021.
[12]         G. Sorrentino, P. Sabia, P. Bozza, R. Ragucci, and M. de Joannon, "Impact of external operating parameters on the performance of a cyclonic burner with high level of internal recirculation under MILD combustion conditions," Energy, vol. 137, pp. 1167-1174, 2017.
[13]         A. Shaker, S. A. Hashemi, and E. E. Fordoei, "Numerical study of the O2/CO2, O2/CO2/N2, and O2/N2-syngas MILD combustion: Effects of oxidant temperature, O2 mole fraction, and fuel blends," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 48, no. 79, pp. 30909-30929, 2023.
[14]         G. Shi, P. Li, F. Hu, and Z. Liu, "NO mechanisms of syngas MILD combustion diluted with N2, CO2, and H2O," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 47, no. 37, pp. 16649-16664, 2022.
[15]         M. Mehregan and M. Moghiman, "A numerical investigation of preheated diluted oxidizer influence on NOx emission of biogas flameless combustion using Taguchi approach," Fuel, vol. 227, pp. 1-5, 2018.
[16]         A. Rebola, M. Costa, and P. J. Coelho, "Experimental evaluation of the performance of a flameless combustor," Applied thermal engineering, vol. 50, no. 1, pp. 805-815, 2013.
[17]         T. Poinsot and D. Veynante, Theoretical and numerical combustion. RT Edwards, Inc., 2005.
[18]         Z. Chen, V. Reddy, S. Ruan, N. Doan, W. L. Roberts, and N. Swaminathan, "Simulation of MILD combustion using Perfectly Stirred Reactor model," Proceedings of the combustion institute, vol. 36, no. 3, pp. 4279-4286, 2017.
[19]         Y. Minamoto and N. Swaminathan, "Scalar gradient behaviour in MILD combustion," Combustion and flame, vol. 161, no. 4, pp. 1063-1075, 2014.
[20]         Y. Minamoto, N. Swaminathan, R. Cant, and T. Leung, "Reaction zones and their structure in MILD combustion," Combustion Science and Technology, vol. 186, no. 8, pp. 1075-1096, 2014.
[21]         J. Aminian, C. Galletti, S. Shahhosseini, and L. Tognotti, "Numerical investigation of a MILD combustion burner: analysis of mixing field, chemical kinetics and turbulence-chemistry interaction," Flow, turbulence and combustion, vol. 88, pp. 597-623, 2012.
[22]         A. Parente, C. Galletti, and L. Tognotti, "Effect of the combustion model and kinetic mechanism on the MILD combustion in an industrial burner fed with hydrogen enriched fuels," International journal of hydrogen energy, vol. 33, no. 24, pp. 7553-7564, 2008.
[23]         E. E. Fordoei, K. Mazaheri, and A. Mohammadpour, "Numerical study on the heat transfer characteristics, flame structure, and pollutants emission in the MILD methane-air, oxygen-enriched and oxy-methane combustion," Energy, vol. 218, p. 119524, 2021.
[24]         B. F. Magnussen, "The eddy dissipation concept: A bridge between science and technology," in ECCOMAS thematic conference on computational combustion, 2005, vol. 21: Libson, Portugal, p. 24.
[25]         M. T. Lewandowski and I. S. Ertesvåg, "Analysis of the Eddy Dissipation Concept formulation for MILD combustion modelling," Fuel, vol. 224, pp. 687-700, 2018.
[26]         H.-Y. Shih, "Computed extinction limits and flame structures of H2/O2 counterflow diffusion flames with CO2 dilution," International journal of hydrogen energy, vol. 34, no. 9, pp. 4005-4013, 2009.
[27]         R. K. H. C.T. Bowmann, D.F. Davidson, W.C. Gardiner, V. Lissianski, G.P.Smith, D.M. Golden, M. Franklach, M. Goldenberg., "GRI-Mech 2.11," Available from: http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/ [accessed 28.3.2020 2020], 1995.
[28]         S. H. Kim, K. Y. Huh, and B. Dally, "Conditional moment closure modeling of turbulent nonpremixed combustion in diluted hot coflow," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 30, no. 1, pp. 751-757, 2005.
[29]         A. Cavaliere and M. de Joannon, "Mild combustion," Progress in Energy and Combustion science, vol. 30, no. 4, pp. 329-366, 2004.
[30]         H. Zhou, T. A. Ring, and J. C. Sutherland, "Additional criteria for MILD coal combustion," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 38, no. 3, pp. 4233-4240, 2021.
[31]         C. Luan, S. Xu, B. Shi, Y. Tu, H. Liu, P. Li, and Z. Liu, "Re-recognition of the MILD combustion regime by initial conditions of T in and X O2 for methane in a nonadiabatic well-stirred reactor," Energy & fuels, vol. 34, no. 2, pp. 2391-2404, 2020.
[32]         M. de Joannon, G. Sorrentino, and A. Cavaliere, "MILD combustion in diffusion-controlled regimes of hot diluted fuel," Combustion and Flame, vol. 159, no. 5, pp. 1832-1839, 2012.
[33]         M. De Joannon, P. Sabia, G. Cozzolino, G. Sorrentino, and A. Cavaliere, "Pyrolitic and oxidative structures in hot oxidant diluted oxidant (HODO) MILD combustion," Combustion science and technology, vol. 184, no. 7-8, pp. 1207-1218, 2012.
[34]         K.-P. Cheong, G. Wang, J. Si, and J. Mi, "Nonpremixed MILD combustion in a laboratory-scale cylindrical furnace: Occurrence and identification," Energy, vol. 216, p. 119295, 2021.
[35]         M. Huang, H. Deng, Y. Liu, B. Zhang, S. Cheng, X. Zhang, and F. Zhang, "Effect of fuel type on the MILD combustion of syngas," Fuel, vol. 281, p. 118509, 2020.
[36]         Y. Bao, Q. Yu, H. Xie, Q. Qin, and Y. Zhao, "Effect of H2 and CO in syngas on oxy-MILD combustion," Applied Energy, vol. 352, p. 122025, 2023.
[37]         E. E. Fordoei and F. A. Boyaghchi, "NO emission characteristics for the HTC and MILD combustion regimes with N2, N2/CO2 and CO2 diluents: effect of H2 addition to CH4," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 48, no. 92, pp. 36185-36210, 2023.