نوع مقاله : مقاله پژوهشی
تازه های تحقیق
در این پژوهش، عملکرد محفظه احتراق حلقوی یک میکروتوربین با استفاده از مدل احتراقی نیمه پیشآمیخته شبیهسازی شد. استفاده از مدل نیمه پیشآمیخته، با ترکیب مزایای احتراق پیشآمیخته و غیرپیشآمیخته، نتایج بسیار دقیقی ارائه داد که انطباق بالایی با دادههای تجربی داشت. با توجه به مزایای احتراق پیشمخلوط، جریان سوخت و هوا بهصورت پیشمخلوط در نظر گرفته شد تا اختلاط بهینهتری حاصل شود و یکنواختی دما در محفظه افزایش یابد. این رویکرد همچنین به کاهش آلایندههایی نظیر NOx و CO کمک میکند، چرا که احتراق در شرایط پیشمخلوط معمولاً با دماهای یکنواختتر و کاهش تشکیل نواحی با دماهای بسیار بالا همراه است. شبیهسازیها نشان داد در احتراق پیشمخلوط متان، توزیع دما بهطور کلی یکنواخت است؛ اما بهکارگیری گاز سنتز 2 موجب بهبود قابلتوجهی در یکنواختی دما و کاهش نقاط داغ میشود. افزون بر این، گاز سنتز 1 عملکرد برتری نسبت به دو سوخت دیگر از نظر توزیع دما ارائه داد و نقاط داغ بهطور چشمگیری کاهش یافت.
نتایج بهدست آمده از تحلیل نمودار کسر جرمی OH نشان داد که شعله متان با ثبت بیشترین مقدار اوج OH و گستره مکانی وسیعتر، نمایانگر واکنشهای احتراقی شدیدتر و دمای موضعی بالاتر است؛ که این امر ناشی از عدم حضور گونههای خنثی و ارزش حرارتی مناسب متان است. در مقابل، سوخت سنتز 1 با وجود 45% هیدروژن، بهدلیل وجود قابلتوجه گازهای خنثی، اوج OH پایینتری دارد و شعله آن در بازهای محدودتر ظاهر میشود؛ همچنین، آغاز سریعتر احتراق و کاهش سریع غلظت OH موجب کاهش طول شعله آن میشود. از سوی دیگر، سوخت سنتز 2 که شامل CH4، CO، CO2، H2 و H2O بوده و ارزش حرارتی بالاتری نسبت به سنتز 1 دارد، اوج OH بیشتری را نسبت به سنتز 1 نشانمیدهد، ولی همچنان طول شعله آن نسبت به متان کمتر است. بنابراین، حضور گونههای خنثی و سرعت بالای شعله در سوختهای حاوی هیدروژن بهطور چشمگیری در کاهش طول شعله مؤثر هستند.
بررسی آلایندهها نشان داد که سوخت سنتز 1 بهدلیل ارزش حرارتی پایینتر و خواص احتراقی متفاوت، دمای کمتری را در ناحیه اصلی احتراق نسبت به گاز سنتز 2 تولید میکند. همچنین، بهدلیل دمای پایینتر احتراق و توزیع یکنواختتر دما، انتشار NOx به ppm 23/3 کاهش یافت. از سوی دیگر، احتراق گاز سنتز 2، بهدلیل وجود حجم زیادی از متان در ترکیب و ارزش حرارتی بالاتر نسبت به گاز سنتز 1، کانتور دمایی مشابه احتراق متان خالص ایجاد کرد. آلاینده NOx در احتراق گاز سنتز 2 به مقدار ppm 94/29 افزایش یافت، زیرا علاوه بر اینکه میزان NOx حرارتی مشابهی با متان ایجاد میکند بهعلت احتراق غنی از سوخت تولید NOx سریع نیز افزایش پیدا میکند. گاز سنتز ۲ با مقدار ppm 2914، بیشترین میزان CO را دارد که این امر به ترکیب بالای CO در سوخت اولیه و نحوه عملکرد واکنشهای احتراقی آن، از جمله حضور متان در سوخت، مرتبط است. در مقابل، گاز سنتز ۱ با توجه به وجود %۴۵ هیدروژن، مقدار متوسطی از CO را تولید میکند که میزان آن برابر با ppm 3/227 است.
بررسیها نشان داد که گازهای سنتز با محتوای بالای هیدروژن، بهدلیل توزیع دمای مطلوب و انتشار کمتر NOx، گزینههای بهتری نسبت به دیگر گازهای سنتز هستند. با این وجود، بهینهسازیهایی برای کاهش آلاینده CO همچنان مورد نیاز است.
موضوعات
عنوان مقاله English
نویسندگان English
In this study, the performance of an annular combustion chamber of a microturbine was simulated using syngas derived from coal and biomass. The primary objective is to investigate the combustion chamber’s performance and pollutant emissions under premixed combustion conditions. The simulations are conducted using a partially premixed combustion model and the k-epsilon Realizable turbulence model. The partially premixed combustion model, by integrating the advantages of both premixed and non-premixed combustion, enabled an accurate analysis of the combustion process and provided precise predictions of complex turbulent flow behaviors and chemical reactions. The fuel and air were assumed to be premixed, which improved temperature uniformity and contributed to a reduction in NOx emissions when using syngas. An analysis of the OH mass fraction revealed that coal-derived syngas, due to its high hydrogen content and faster combustion rate, produces the shortest flame. The NOx and CO emissions for this fuel were 3.23 ppm and 227.3 ppm, respectively. On the other hand, biomass-derived syngas generates a temperature field similar to that of pure methane combustion due to its methane content. However, the high concentrations of methane and carbon monoxide resulted in a significant CO emission of 2914 ppm. This fuel also exhibited the highest NOx emission, reaching 29.9 ppm. The findings indicate that utilizing coal-derived syngas in premixed combustion conditions reduces NOx emissions and thermal hotspots.
.
کلیدواژهها English
محفظه احتراق یکی از اجزای کلیدی در طراحی و عملکرد میکروتوربینها محسوبمیشود که نقش اساسی در تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی حرارتی و در نهایت انرژی مکانیکی دارد. با توجه به چالشهای مرتبط با کاهش منابع سوختهای فسیلی و نگرانیهای زیستمحیطی ناشی از انتشار گازهای گلخانهای، استفاده از منابع سوخت جایگزین بهویژه گاز سنتز بهعنوان یک راهکار پایدار مورد توجه قرار گرفته است. گاز سنتز، که از فرایند گازسازی زغالسنگ، زیستتوده و سایر مواد حاوی کربن تولید میشود، بهدلیل ترکیبپذیری مناسب، محتوای انرژی بالا، گزینهای جذاب برای استفاده در سیستمهای احتراقی پیشرفته بهشمار میرود. با این حال، رفتار احتراقی گاز سنتز حاصل از این ترکیبات، بهدلیل تنوع در ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی آن، نیازمند بررسیهای دقیق و مدلسازی پیشرفته است. استفاده از گاز سنتز در میکروتوربینها امکان توسعه سیستمهای ترکیبی تولید انرژی را نیز فراهم میآورد. بهطور خاص، این فناوری میتواند در سیستمهای تولید همزمان برق و حرارت به کار گرفته شود که به افزایش بهرهوری انرژی و کاهش هزینههای عملیاتی منجر میشود. از سوی دیگر، توانایی میکروتوربینها در کار با سوختهای متنوع، آنها را به گزینهای مناسب برای مناطق دورافتاده یا مناطقی که دسترسی به منابع سوخت متداول محدود است، تبدیل میکند [1].
محمد علی و همکاران با استفاده از شبیهسازی سهبعدی و سینتیک شیمیایی، مشخصههای احتراق موتور دوگانهسوز گاز سنتز-دیزل را تحت شرایط مخلوط سوخت-هوای بسیار رقیق بررسی کردند. در این پژوهش، گاز سنتز بهعنوان سوخت اصلی و با منبعی از زغالسنگ مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که محتوای هیدروژن در گاز سنتز تأثیر قابل توجهی بر فرایند احتراق دارد، بهطوری که غلظتهای بالاتر هیدروژن باعث بهبود احتراق در نزدیکی TDC و کاهش اتلاف زمانی و انتشار گازهای نسوخته شدند[2]. فانتوزی و همکاران با استفاده از شبیهسازی، عملکرد محفظه احتراق میکروتوربین را با گاز سنتز زیستتوده بررسی کردند. نتایج نشان داد که این سوخت منجر به کاهش نقاط داغ و پایداری بهتر شعله نزدیک به انژکتور میشود. همچنین، تحلیلها نشان داد که احتراق این گاز سنتز باعث تولید NOx به میزان ppm45 میشود [3, 4]. لارانچی و همکاران با استفاده از شبیهسازی CFD، عملکرد محفظه احتراق میکروتوربین را با سوخت گاز سنتز زیستتوده بررسی کردند. طراحی اصلاحشده محفظه برای گاز سنتز باعث بهبود اکسیداسیون CO و کاهش دمای گازهای خروجی شد [5]. پالانیسامی و همکاران به بررسی مشخصههای احتراق بیودیزل مشتقشده از روغن پختوپز ضایعاتی، که عمدتاً از روغن نخل بهدست آمده است، در یک میکروتوربین 30 کیلوواتی پرداختند. این پژوهش نشان داد که استفاده از بیودیزل منجر به بهبود پایداری احتراق و کاهش آلایندگیها میشود [6]. بزویار و دارابخانی یک محفظه احتراق میکروتوربین 12 کیلوواتی طراحی و توسعه دادند که قادر به کار با طیف وسیعی از سوختهای زیستی بود. کار آنها به چالشهایی مانند عملکرد احتراق، پایداری و آلایندگیها در هنگام استفاده از سوختهای زیستی با کیفیت پایین پرداختهاست. طراحی اصلاحشده باعث بهبود پایداری شعله، کاهش نقاط داغ در محفظه و کاهش آلایندگیها شد [7]. سلجاک و همکاران چالشها و راهحلهای استفاده از بیومایعات در میکروتوربینها را بررسی کردند. نتایج نشان داد که میکروتوربینها میتوانند بیومایعات با ویژگیهای متنوع را با بازدهی بالا و انتشار آلایندگی کم بسوزانند[8]. مانگرا در مطالعهای به طراحی و تحلیل عددی محفظه احتراق حلقوی یک میکروتوربین که برای هواپیماهای چندمنظوره کوچک طراحی شدهاست، پرداخت. شبیهسازیهای عددی سهبعدی با استفاده از نرمافزار ANSYS CFX انجام شد. مدل انتقال ذرات برای شبیهسازی قطرات سوخت مایع، با قطر اولیه 500 میکرومتر، استفاده شد. نتایج نشان داد که شعله در ناحیه مرکزی محفظه احتراق توسعه مییابد و دیوارهها از دماهای بالا محافظت میشوند [9]. فورتوناتو و همکاران در مطالعهای به بررسی تجربی و عددی رفتار محفظه احتراق میکروتوربین گاز در حالت احتراق ملایم و شدید با اکسیژن کم پرداختند. عملکرد محفظه احتراق برای دو سوخت متان و بیوگاز مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که محفظه در کاهش آلایندهها، بهویژه CO و NOx، بسیار موفق عمل کرده و انعطافپذیری بالایی نسبت به سوخت داشت، بهطوری که احتراق پایدار و اشتعال در هر دو سوخت امکانپذیر بود [10]. پارنت و همکاران طراحی و تحلیل یک محفظه احتراق میکروتوربین را به منظور بررسی احتراق سوختهای غیرمعمول انجام دادند. برای کنترل دمای شعله و کاهش تولید NOx، از تکنیک جریان پیشمخلوط رقیق استفاده شد، که بهطور مؤثری دمای شعله را کنترل کرده و منجر به کاهش انتشار آلایندههای NOx شد [11]. حسین آشینی و همکاران، احتراق گاز بیوگاز / گاز سنتزی را در یک میکروتوربین بررسی کردند. تغییر سوخت باعث افزایش ۱۰۰ درجهای دمای خروجی، افزایش ۵۰ درصدی NOx در حضور هیدروژن و کاهش انتشار CO تا یکدهم مقدار گاز طبیعی شد که نشاندهنده پتانسیل این سوختها بهعنوان گزینههای پاکتر برای میکروتوربینها است [12]. سانتوس و همکاران، تشکیل دوده و انرژی حرارتی در احتراق گاز سنتزی با غنیسازی اکسیژن و افزودن استیلن را بررسی کردند. افزایش سطح استیلن انرژی حرارتی را افزایش داد و غنیسازی اکسیژن باعث تشکیل دوده بیشتری در شرایط رقیق شد [13]. چنگفِی تائو و همکاران، دریافتند که نوسانات ترموآکوستیک در احتراق گاز سنتزی در نسبت هم ارزی زیر 8/0 آغاز میشود و در 5/0، حالت دوم نوسانات غالب میشود. برگشت شعله و بیشترین نوسان آزادسازی حرارتی در نسبت هم ارزی 5/0 رخ میدهد [14]. کوبیلای و همکاران، به مطالعه مخلوطهای گاز سنتزی و هیدروژن در احتراق پرداختند. نتایج نشان داد که تشکیل CO2 در نسبت هم ارزی 1 به بیشترین مقدار رسید. دمای شعله آدیاباتیک بین