Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Impact of Dimensionless Parameters on the Combustion of the Carbon-Free Fuel of Ammonia/Methane blend in Porous Media

Document Type : Original Article

Authors
Ali Tolouei 1
Ayat Gharehghani 2
1 School of Mechanical Engineering, Iran university of science and technology, Tehran, Iran
2 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science & Technology, Narmak, Tehran, Iran
10.22034/jfnc.2025.499984.1421
Abstract
The present study investigates the combustion of an ammonia/methane mixture in a porous medium and the impact of various parameters on the stability and intensity of this process. The use of ammonia as a carbon-free fuel presents challenges such as reduced flame temperature and speed, which may hinder effective heat transfer in combustion systems. Additionally, the nitrogen present in ammonia can lead to increased production of nitrogen oxides (NOx), which are major air pollutants. To address these issues, the use of a porous medium in the combustion chamber can help improve combustion conditions and reduce pollutant emissions. In this study, the effects of various parameters, such as the porosity of the porous medium (ranging from 0.5 to 1.0), the ammonia fuel fraction in the ammonia/methane mixture (ranging from 0.1 to 0.9), and the fuel-to-air equivalence ratio (ranging from 0.5 to 1.5), were numerically investigated and compared with experimental data. The results show that variations in porosity and fuel ratio have significant effects on combustion temperature, pollutant emissions, and flame stability. An increase in porosity enhances heat and mass transfer, thereby improving flame stability and combustion temperature. Furthermore, increasing the methane fraction in the fuel mixture raises the combustion temperature, while increasing the ammonia share can result in lower temperature and higher NOx production. These findings highlight the importance of optimizing the porosity, fuel ratio, and equivalence ratio simultaneously in combustion systems to reduce pollutants and enhance the efficiency of combustion processes.
.
Keywords
Porous medium combustion
ammonia
methane
nitrogen oxide emissions
carbon dioxide emissions

Subjects

گرمایش جهانی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین نگرانی‌های زیست‌محیطی عصر حاضر مطرح و نیازمند اجرای برنامه‌های مؤثر برای کاهش آن امری حیاتی است. گازهای گلخانه‌ای که عمدتاً ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی نظیر نفت، گاز طبیعی و زغال‌سنگ هستند، نقش قابل‌توجهی در تشدید بحران گرمایش جهانی دارند. به‌ویژه، دی‌اکسیدکربن تولید شده از سوختن سوخت‌های فسیلی، سهمی اساسی در افزایش دمای زمین دارد [1]. با توجه به نقش مهمی که احتراق سوخت‌های فسیلی در انتشار گازهای گلخانه‌ای ایفا می‌کنند، جایگیزینی سوخت‌های هیدروکربنی سنتی با سوخت‌های بدون کربن همچون آمونیاک پتانسیلی برای کاهش عوامل مؤثر در گرمایش جهانی دارند. اما استفاده از آمونیاک به‌عنوان سوخت بدون کربن در مقایسه با متان چالش‌هایی را به‌همراه دارد. یکی از مشکلات اصلی، کاهش دما و سرعت شعله در هنگام احتراق آمونیاک است که می‌تواند منجر به کاهش کارایی سیستم‌های احتراقی شود. علاوه بر این، نیتروژن موجود در آمونیاک باعث انتشار بیش از حد اکسیدهای نیتروژن (NOx) می‌شود که از آلاینده‌های اصلی هوا محسوب می‌شوند، در حالی که متان به‌طور معمول تولید NOx کمتری دارد. بنابراین، با وجود اینکه آمونیاک یک سوخت پاک از نظر انتشار دی‌اکسیدکربن است، مسائل مربوط به احتراق آن و تولید آلاینده‌ها می‌تواند مانع از استفاده گسترده آن به‌عنوان سوخت جایگزین شود. از این رو، بررسی پارامترهای مؤثر بر احتراق سوخت‌های بدون کربن مانند آمونیاک به‌عنوان جایگزین سوخت‌های هیدروکربنی بسیار مهم می‌شود [2].

آمونیاک به‌عنوان یک سوخت بدون کربن پتانسیل تولید انرژی بدون آزاد کردن دی‌اکسیدکربن را دارد؛ بنابراین در حال حاضر دانشمندان، صنایع و دولت‌ها سرمایه‌گذاری‌های قابل‌توجهی در توسعه راه‌حل‌های جامع برای تبدیل آمونیاک به سوختی مناسب برای سیستم‌های انرژی احتراقی انجام می‌دهند [3]. در این راستا، یک مطالعه مروری جامع انجام‌شده [4] که به چالش‌های اولیه مرتبط با احتراق آمونیاک می‌پردازد. این چالش‌ها شامل زمان تأخیر احتراق طولانی‌مدت، سرعت انتشار آهسته شعله (تقریباً پنج برابر کمتر از متان [5]) و انتشار قابل توجه اکسید نیتروژن است [6]. برای مقابله با این مسائل، راه‌حل‌های مختلفی از جمله ترکیب سوخت و استفاده از محیط‌های متخلخل در احتراق‌ها ارائه‌شده است. همچنین در این مطالعه سوخت ترکیبی آمونیاک با متان به‌عنوان یک سیستم سوخت هیبریدی به‌عنوان یک رویکرد عملی و امیدوارکننده ظاهر می‌شود که البته نیاز به بررسی‌های بیشتر دارد. مطالعه مروری دیگری [7] بینش‌هایی را در مورد پیشرفت‌های اخیر در احتراق آمونیاک، پوشش مکانیسم‌های واکنش، مکانیسم‌های تشکیل اکسید نیتروژن، استراتژی‌های کاهش و تأثیر افزودن آمونیاک بر تشکیل دوده ارائه می‌دهد. این مطالعه با بررسی دقیق مطالعات سینتیک بنیادی در مورد مکانیسم‌های اکسیداسیون و پیرو لیز آمونیاک آغاز می‌شود و به بحث در مورد استراتژی‌های مؤثر مختلف برای مهار انتشار اکسید نیتروژن می‌پردازد. سپس تأثیر افزودن آمونیاک بر تشکیل دوده در احتراق مبتنی بر هیدروکربن را بررسی می‌کند و مکانیسم‌های اساسی را روشن می‌کند. این مطالعه با پرداختن به چالش‌های فنی و ترسیم چشم‌انداز تحقیقات آینده در مورد احتراق آمونیاک با کاهش انتشار اکسید نیتروژن، دیدگاه‌های ارزشمندی را در این زمینه ارائه می‌کند. مطالعه دیگری [8] روش‌های مختلفی را برای مقابله با چالش‌های احتراق آمونیاک ارائه می‌دهد. در این مطالعه اشاره شده است که احتراق غنی شده با اکسیژن و احتراق با ترکیبی از سوخت‌های دیگر همچون متان می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی ویژگی‌های احتراق آمونیاک را بهبود بخشد.

محیط متخلخل تأثیر قابل توجهی بر عملکرد احتراق، رفع چالش‌ها و دستیابی به شعله آمونیاک پایدار را امکان‌پذیر می‌کند. با توجه به پیچیدگی احتراق در محیط متخلخل، نیاز به معادلات یکپارچه‌ای است که هم انتقال حرارت و هم سینتیک شیمیایی را در بر بگیرد. به‌طورکلی، احتراق در محیط متخلخل، بر خلاف احتراق غیر متخلخل، مزایای مختلفی مانند دامنه گسترده پایداری شعله، کاهش ناپایداری‌ها [9] و افزایش انتقال حرارت [11،10] را ارائه می‌دهد. استفاده از محیط متخلخل در احتراق بر پایداری شعله با مکانسیم چرخش گرما تأثیر می‌گذارد [12،13]. به‌طور کلی، مرور منابع نشان‌می‌دهد که عملکرد احتراق با استفاده از محیط متخلخل بهبود یافته است [14]. علاوه بر این، بررسی فاز سیال و جامد نیاز به توجه در معادلات حاکم برای اثر دقیق هر فاز دارد [15]. در این راستا، مطالعه‌ای [16] برای غلبه بر معایب و چالش‌های سوخت آمونیاک، استفاده از احتراق تثبیت شده در یک محیط متخلخل مورد بررسی قرار داده است. در این تحقیق، احتراق در یک فوم سرامیکی خنثی رخ می‌دهد و گرما با هدایت حرارتی و تابشی از محیط متخلخل به ناحیه پیش گرم به گردش در می‌آید که سرعت شعله و پایداری احتراق را افزایش می‌دهد و امکان احتراق را در طیف وسیعی از نسبت‌های هم ارزی فراهم می‌کند. در تحقیقات دیگری [17، 18] پیشرفت و کاربردهای احتراق محیط متخلخل بررسی شده است و ویژگی‌های محیط متخلخل معرفی شده است و بر اهمیت استفاده از محیط متخلخل در احتراق برای بهبود خواص احتراقی تأکید شده است. همچنین این مطالعات به رویکردهای مدل‌سازی و پیش بینی پیشرفت‌های آینده احتراق در محیط متخلخل پرداخته‌اند. در تحقیق دیگری [19] کاربردهای مشعل‌های متخلخل تشریح شده است که بر اصول اساسی توسعه و درک احتراق محیط متخلخل متمرکز شده است. تثبیت شعله به‌عنوان یک نقطه کانونی در مطالعه احتراق در محیط متخلخل در این تحقیقات برجسته است [20]. بسیاری از محققان [21] به تثبیت شعله پرداخته‌اند و قابلیت احتراق محیط متخلخل را برای دستیابی به عملکرد شعله پایدار در نسبت‌های هم ارزی مختلف تأیید کرده‌اند. همچنین در مطالعات مختلف، محققان حرکت شعله را با استفاده از طرح‌های متنوعی از سیستم‌های احتراق محیط متخلخل، شامل ماتریس‌های متخلخل همگن [22] و پیکربندی‌های چند لایه، آزمایش کرده‌اند. در حالی که محققان به طرح‌های متنوعی برای مشعل‌های جدید دست‌یافته‌اند، یکی از پیشرفت‌های اساسی ارائه‌شده [23]، همبستگی بین ناحیه پیش گرمایش و ناحیه احتراق است. همچنین مطالعات اخیر تمرکز را به جنبه‌های دیگری از استفاده از محیط متخلخل مانند ضخامت [24] و استفاده از هوای پیش‌گرم شده [25] برای تصمیم گیری در مورد هندسه سیستم‌های احتراق متمرکز معطوف کرده است. با توجه به بررسی‌های انجام‌شده، استفاده هم زمان محیط متخلخل و ترکیب سوخت آمونیاک / متان برای دستیابی به یک احتراق کارآمد و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلاینده همچنان نیاز به بررسی بیشتر دارد.

مطالعه حاضر به بررسی احتراق پیش آمیخته آمونیاک / متان / اکسیژن در محیط متخلخل و پارامترهای تأثیرگذار در این احتراق می‌پردازد. همان‌طور که در منابع بررسی شده ذکر شده است، استفاده از آمونیاک به‌عنوان جایگزینی بدون کربن برای سوخت‌های هیدروکربنی، چالش‌های خاصی را به‌همراه دارد. یکی از مسائل مهم کاهش دما و سرعت شعله است که می‌تواند مانع انتقال حرارت کارآمد در سیستم‌های احتراقی شود. علاوه بر این، نیتروژن موجود در آمونیاک می‌تواند منجر به انتشار بیش از حد NOx شود که یک آلاینده اصلی هوا است. برای غلبه بر این چالش‌ها، استفاده مؤثر از محیط متخلخل در محفظه احتراق می‌تواند مفید باشد که نیاز به بررسی بیشتر دارد؛ لذا در کار حاضر اثر پارامترها بر احتراق مذکور به‌صورت عددی بررسی می‌شود و نتایج با داده‌های آزمایش‌های تجربی صحت سنجی می‌شود. بدین‌منظور اثر تخلخل محیط متخلخل (5/0 تا 0/1)، اثر کسر سوخت آمونیاک در سوخت ترکیبی آمونیاک / متان (1/0 تا 9/0) و اثر نسبت هم ارزی سوخت به هوا (5/0 تا 5/1) بررسی می‌شود.

 

[1]  J. Chen, Y. Fei, and Z. Wan, “The relationship between the development of global maritime fleets and GHG emission from shipping,” J Environ Manage, vol. 242, pp. 31–39, Jul. 2019, doi: 10.1016/j.jenvman.2019.03.136.
[2]  Y. Kojima, “Hydrogen storage materials for hydrogen and energy carriers,” Int J Hydrogen Energy, vol. 44, no. 33, pp. 18179–18192, Jul. 2019, doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.05.119.
[3]  A. Valera-Medina, F. Amer-Hatem, A. K. Azad, I. C. Dedoussi, M. de Joannon, R. X. Fernandes, P. Glarborg, H. Hashemi, X. He, S. Mashruk, J. McGowan, C. Mounaim-Rouselle, A. Ortiz-Prado, A. Ortiz-Valera, I. Rossetti, B. Shu, M. Yehia, H. Xiao, M. Costa., “Review on ammonia as a potential fuel: From synthesis to economics,” Energy and Fuels, vol. 35, no. 9, pp. 6964–7029, May 2021, doi: 10.1021/acs.energyfuels.0c03685.
[4]  T. Li, Y. Duan, Y. Wang, M. Zhou, and L. Duan, “Research progress of ammonia combustion toward low carbon energy,” Fuel Processing Technology, vol. 248, p. 107821, Sep. 2023, doi: 10.1016/j.fuproc.2023.107821.
[5]  A. Hayakawa, T. Goto, R. Mimoto, Y. Arakawa, T. Kudo, and H. Kobayashi, “Laminar burning velocity and Markstein length of ammonia/air premixed flames at various pressures,” Fuel, vol. 159, pp. 98–106, Nov. 2015, doi: 10.1016/j.fuel.2015.06.070.
[6]  H. Kobayashi, A. Hayakawa, K. D. K. A. Somarathne, and E. C. Okafor, “Science and technology of ammonia combustion,” Proceedings of the Combustion Institute, vol. 37, no. 1, pp. 109–133, Jan. 2019, doi: 10.1016/j.proci.2018.09.029.
[7]  T. Cai, D. Zhao, and E. Gutmark, “Overview of fundamental kinetic mechanisms and emission mitigation in ammonia combustion,” Chemical Engineering Journal, vol. 458, p. 141391, Feb. 2023, doi: 10.1016/j.cej.2023.141391.
[8]  L. Kang, W. Pan, J. Zhang, W. Wang, and C. Tang, “A review on ammonia blends combustion for industrial applications,” Fuel, vol. 332, p. 126150, Jan. 2023, doi: 10.1016/j.fuel.2022.126150.
[9]  C. S. Dowd and J. W. Meadows, “Thermoacoustic instability model with porous media: linear stability analysis and the impact of porous media,” J Eng Gas Turbine Power, vol. 141, no. 4, 2019, doi: 10.1115/1.4041025.
[10]      R. Fursenko, S. Minaev, K. Maruta, H. Nakamura, and H. Yang, “Characteristic regimes of premixed gas combustion in high-porosity micro-fibrous porous media,” Combustion Theory and Modelling, vol. 14, no. 4, pp. 571–581, 2010, doi: 10.1080/13647830.2010.502249.
[11]      H. Yang, S. Minaev, E. Geynce, H. Nakamura, and K. Maruta, “Filtration combustion of methane in high-porosity micro-fibrous media,” Combustion Science and Technology, vol. 181, no. 4, pp. 654–669, Apr. 2009, doi: 10.1080/00102200802646748.
[12]      Y. Liu, A. Fan, H. Yao, and W. Liu, “Numerical investigation of filtration gas combustion in a mesoscale combustor filled with inert fibrous porous medium,” Int J Heat Mass Transf, vol. 91, pp. 18–26, 2015, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.100.
[13]      A. J. Barra and J. L. Ellzey, “Heat recirculation and heat transfer in porous burners,” Combust Flame, vol. 137, no. 1–2, pp. 230–241, 2004, doi: 10.1016/j.combustflame.2004.02.007.
[14]      Q. Peng, E. Jiaqiang, J. Chen, W. Zuo, … X. Z.-E. C. and, and undefined 2018, “Investigation on the effects of wall thickness and porous media on the thermal performance of a non-premixed hydrogen fueled cylindrical micro combustor,” Elsevier, Accessed: Nov. 05, 2023. [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890417310282
[15]      M. A. Mujeebu, M. Z. Abdullah, A. A. Mohamad, and M. Z. A. Bakar, “Trends in modeling of porous media combustion,” Prog Energy Combust Sci, vol. 36, no. 6, pp. 627–650, Dec. 2010, doi: 10.1016/J.PECS.2010.02.002.
[16]      G. Vignat, T. Zirwes, E. R. Tor, K. Younes, E. Boigné, P. Muhunthan, L. Simitz, D. Trimis, M. Ihme, “Experimental and numerical investigation of flame stabilization and pollutant formation in matrix stabilized ammonia-hydrogen combustion,” Combust Flame, vol. 250, p. 112642, Apr. 2023, doi: 10.1016/j.combustflame.2023.112642.
[17]      M. A. Mujeebu, A. A. Mohamad, and M. Z. Abdullah, “Applications of Porous Media Combustion Technology,” in The Role of Colloidal Systems in Environmental Protection, 2014, pp. 615–633. doi: 10.1016/B978-0-444-63283-8.00024-7.
[18]      A. A. M. Oliveira and M. Kaviany, “Nonequilibrium in the transport of heat and reactants in combustion in porous media,” 2001. doi: 10.1016/S0360-1285(00)00030-7.
[19]      S. Wood and A. T. Harris, “Porous burners for lean-burn applications,” 2008. doi: 10.1016/j.pecs.2008.04.003.
[20]      V. Bubnovich, M. Toledo, L. Henríquez, C. Rosas, and J. Romero, “Flame stabilization between two beds of alumina balls in a porous burner,” Appl Therm Eng, vol. 30, no. 2–3, pp. 92–95, 2010, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2009.04.001.
[21]      L. A. Kennedy, J. P. Bingue, A. V. Saveliev, A. A. Fridman, and S. I. Foutko, “Chemical structures of methane-air filtration combustion waves for fuel-lean and fuel-rich conditions,” Proceedings of the Combustion Institute, vol. 28, no. 1, pp. 1431–1438, 2000, doi: 10.1016/S0082-0784(00)80359-8.
[22]      A. Banerjee and A. V. Saveliev, “High temperature heat extraction from counterflow porous burner,” Int J Heat Mass Transf, vol. 127, pp. 436–443, 2018, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.027.
[23]      S. M. Hashemi and S. A. Hashemi, “Flame stability analysis of the premixed methane-air combustion in a two-layer porous media burner by numerical simulation,” Fuel, vol. 202, pp. 56–65, 2017, doi: 10.1016/j.fuel.2017.04.008.
[24]      S. N. Hoda, S. A. Gandjalikhan Nassab, and J. J. Ebrahim, “Three dimensional numerical simulation of combustion and heat transfer in porous radiant burners, International Journal of Thermal Sciences, vol. 145, 2019, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.106024.
[25]      G. Wang, P. Tang, Y. Li, J. Xu, and F. Durst, “Flame front stability of low calorific fuel gas combustion with preheated air in a porous burner,” Energy, vol. 170, pp. 1279–1288, 2019, doi: 10.1016/j.energy.2018.12.128.
[26]      E. C. Okafor, Y. Naito, S. Colson, A. Ichikawa, T. Kudo, A. Hayakawa, H. Kobayashi, “Measurement and modelling of the laminar burning velocity of methane-ammonia-air flames at high pressures using a reduced reaction mechanism,” Combust Flame, vol. 204, pp. 162–175, Jun. 2019, doi: 10.1016/j.combustflame.2019.03.008.
[27]      G. Vignat, B. Akoush, E. R. Toro, E. Boigné, and M. Ihme, “Combustion of lean ammonia-hydrogen fuel blends in a porous media burner,” Proceedings of the Combustion Institute, vol. 39, no. 4, pp. 4195–4204, 2023, doi: 10.1016/j.proci.2022.07.054.
[28]      B. Straughan, Convection in porous media, vol. 165. 2008. doi: 10.1007/978-0-387-76543-3_4.
[29]      A. Costa, “Permeability-porosity relationship: A reexamination of the Kozeny-Carman equation based on a fractal pore-space geometry assumption,” Geophys Res Lett, vol. 33, no. 2, Jan. 2006, doi: 10.1029/2005GL025134.
[30]      Ansys Inc., “ANSYS fluent user’s guide, Canonsburg, PA, 2011”
[31]      X. Fu, R. Viskanta, and J. P. Gore, “Measurement and correlation of volumetric heat transfer coefficients of cellular ceramics,” Exp Therm Fluid Sci, vol. 17, no. 4, pp. 285–293, 1998, doi: 10.1016/S0894-1777(98)10002-X.
[32]      S. Ni and D. Zhao, “NOx emission reduction in ammonia-powered micro-combustors by partially inserting porous medium under fuel-rich condition,” Chemical Engineering Journal, vol. 434, p. 134680, Apr. 2022, doi: 10.1016/j.cej.2022.134680.