نوع مقاله : مقاله پژوهشی
تازه های تحقیق
هدف مطالعه حاضر بررسی تأثیر هندسه ورودی روی شرایط حرارتی، ساختار شعله و محدوده تشکیل شعله پایدار در احتراق آمونیاک-متان در کورهای با مشعل غیرپیشآمیخته است. تغییرات قطر ورودی سوخت، ورودی هوا و فاصله میان ورودی هوا و سوخت به عنوان پارامترهای مرتبط با هندسه ورودیدر نظر گرفته شدهاند. بدین منظور مطالعه عددی با استفاده از مدل آشفتگی تنش رینولدز، مدل احتراقی مفهوم اتلاف گردابه و استفاده از سینتیک شیمیایی آمونیاک-متان کاست با در نظر گرفتن مدل تشعشعی فاز گسسته انجام شده است. نتایج بررسی نشان میدهند که افزایش کسر جرمی آمونیاک درون سوخت منجر به کاهش بیشینه دمای شعله، تغییرات اساسی در ساختار و حجم شعله و همچنین محدوده تشکیل شعله پایدار میشود. در میان پارامترهای هندسی مورد بررسی، به ترتیب کاهش فاصله میان ورودی سوخت و هوا، کاهش قطر ورودی سوخت و در نهایت کاهش قطر ورودی هوا منجر به بهبود ایجاد شرایط پایدار احتراقی برای مشعل و همچنین ایجاد شرایط حرارتی مشابه با احتراق متان خالص درون محفظه احتراق میشوند. تأثیر اصلی تغییر قطرهای ورودی بر میزان بازچرخش محصولات احتراق درون مخلوط نسوخته و جریان لایه برشی ورودی است در حالیکه بیشترین تأثیر آمونیاک در تغییر در مسیرهای واکنشی فرآیند احتراق است.
عنوان مقاله English
نویسندگان English
The aim of the present study is to investigate the effect of inlet geometry on thermal conditions, flame structure, and the stable flame formation limit in ammonia-methane combustion in a furnace with a non-premixed burner. Variations in fuel inlet diameter, air inlet diameter, and the distance between the air and fuel inlets are considered as the parameters related to inlet geometry. For this purpose, a numerical study has been conducted using the Reynolds stress turbulence model, the eddy dissipation concept combustion model, and KAUST ammonia-methane chemical kinetics, while also considering the discrete ordinate radiation model. The results show that increasing the mass fraction of ammonia in the fuel leads to a decrease in the maximum flame temperature, fundamental changes in flame structure and volume, as well as alterations in the stable flame formation limit. Among the geometric parameters investigated, decreasing the distance between the fuel and air inlets, decreasing the fuel inlet diameter, and finally decreasing the air inlet diameter led to improved stable combustion conditions for the burner and also create thermal conditions similar to those of pure methane combustion within the combustion chamber, respectively. The main effect of changing the inlet diameters is on the recirculation rate of combustion products into the unburned mixture and the inlet shear layer flow, whereas the greatest effect of ammonia is on altering the reaction pathways of the combustion process.
کلیدواژهها English
گرمایش جهانی ناشی از انتشار گازهای گلخانهای، به یکی از بزرگترین چالشهای بشر در قرن بیستویکم تبدیل شده است [1، 2]. برای دستیابی به اهداف کاهش انتشار گازهای گلخانهای ضروری است که درصد قابل توجهی از سوختهای فسیلی به عنوان منبع اصلی تولید گازهای گلخانهای با منابع انرژی تجدیدپذیر جایگزین شود. تولید انرژی از اکثر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد، موج، جزر و مد و خورشیدی معمولاً غیر پیوسته و ناپایدار است، بنابراین ذخیره انرژی در باتریها یا بهصورت شیمیایی برای کاهش اثرات نوسانات تولید انرژی لازم است. با این حال، ذخیره انرژی بهصورت شیمیایی از نظر اقتصادی مقرونبهصرفهتر از باتریها است و همچنین امکان جایگزینی سوختهای فسیلی با سوختهای بدون کربن مانند هیدروژن را فراهم میکند [3]. هیدروژن بهدلیل ماهیت بدون کربن خود بهطور گسترده بهعنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر امیدبخش شناخته میشود [4، 5]. آمونیاک نیز فاقد کربن بوده و اخیراً بهعنوان یک حامل مناسب هیدروژن یا محیط ذخیرهسازی هیدروژن در سامانههای انرژی هیدروژنی مورد توجه قرار گرفته است [7،6]. از جمله مزایای احتراق آمونیاک میتوان به نقش آن بهعنوان حامل هیدروژن، دسترسپذیری گسترده، قابلیت مطلوب برای ذخیرهسازی و حملونقل و هزینه پایین تولید آن نسبت به هیدروژن به ازای واحد مشخصی از انرژی ذخیره شده اشاره کرد [8]. از مزایای دیگر این سوخت میتوان به چگالی انرژی حجمی بالاتر، سهولت بیشتر و گستردگی بالاتر در تولید، جابهجایی و توزیع، و همچنین توجیهپذیری تجاری مناسبتری اشاره کرد.
علی رغم مزایای گسترده در ارتباط با احتراق آمونیاک چالشهای موجود در ارتباط با آن یکی از موانع اصلی استفاده فراگیر آن در کاربردهای مختلف بوده است. از جمله چالشهای اصلی احتراق آمونیاک میتوان احتراق ناپایدار اشاره کرد. این چالشها سبب شده در سالهای اخیر مطالعات گستردهای روی احتراق آمونیاک انجام شود. آریمنا و همکاران [9] در مطالعهای با استفاده از واکنشگاه کاملاً مخلوط به بررسی پایداری شعله و انتشار آلاینده ناکس در احتراق آمونیاک، متان و ترکیب آمونیاک-متان به عنوان سوخت پرداختند. در این مطالعه بررسیها تحت رژیم بدون شعله انجام شده و نتایج نشان میدهند در شرایطی که محدوده اشتعالپذیری برای متان خالص به عنوان سوخت نسبت همارزی 48/0 تا 5/2 است، جایگزینی آمونیاک خالص این محدوده را به 6/0 تا 5/1 کاهش میدهد. همچنین استفاده از ترکیب متان و آمونیاک به عنوان سوخت نتایج جالبی را نشان میدهد. ترکیب آمونیاک با سوخت تا حدود نسبت مولی 70 درصدی متان و 30 درصدی آمونیاک تأثیر قابل توجهی بر حد بالای نسبت هم ارزی تشکیل احتراق پایدار تأثیر نداشته و با افزایش بیشتر آمونیاک در مخلوط سوخت حد خاموشی سوخت-غنی به سرعت کاهش مییابد. در حالی که برای حد پایین تشکیل شعله پایدار ترکیب تقریبا مساوی از آمونیاک و متان تأثیر قابل ملاحظهای بر تشکیل شعله پایدار نداشته و افزودن آمونیاک بیشتر به سوخت منجر به افزایش قابل توجه در نسبت هم ارزی تشکیل شعله پایدار میشود. پایداری شعله در مطالعهای تجربی و عددی توسط ژنهوا و همکاران [10] تحت شرایط اکسیژن غنی برای مشعل چرخشی آزمایشگاهی انجام پذیرفت. مطالعه تجربی و عددی برای کسر مولی اکسیژن 3 تا 21 درصد تحت نسبت هم ارزی 8/0 انجام شده است. نتایج نشان میدهند که احتراق غنیشده با اکسیژن یک راهکار مؤثر برای بهبود پایداری شعلههای آمونیاکی است. افزایش کسر مولی اکسیژن باعث افزایش قابل توجه نرخ آزادسازی گرما و نرخ خاموشی شعله میشود. افزایش کسر مولی اکسیژن موجب افزایش کشیدگی شعله شده که اثر آن در بهبود محدوده خاموشی شعله غالب است. این افزایش به معنای بهبود پایداری شعله و کاهش خطر خاموشی در شرایط عملکردی مختلف است. کولسون و همکاران [11] اثر آمونیاک بر پایداری شعله جت متان را با استفاده از شعله جت غیرپیش آمیخته برای مشاهده پایداری شعله، فعل و انفعالات شیمیایی و نحوه تأثیر افزودن آمونیاک بر پایداری شعله چسبیده به مشعل و شعله برخاسته مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه برای هر یک از مخلوطهای انتخاب شده سرعت جت به تدریج افزایش یافت و سرعت جریان هم سوی سوخت و هوا ثابت نگه داشته شده است. مطابق یافتههای این پژوهش، برای شعله جت غیر پیش مخلوط متان میتوان مشاهده کرد که با اضافه شدن آمونیاک موقعیت شعله به سمت جت و پایین دست حرکت میکند. در واقع افزایش کسر مخلوط استوکیومتری، شعله را به سمت سوخت هدایت میکند، جایی که کسر مخلوط برای گسترش آن مطلوبتر است و کاهش واکنش پذیری مخلوط به دلیل اضافه شدن آمونیاک، منجر به پایداری شعله در قسمت پایین دست میشود. نجفی و همکاران [12] در مطالعهای تجربی به بررسی پایداری ساختار شعلههای آرام نفوذی با جریان هم راستای متان-آمونیاک و هوا پرداختند. همچنین از ترکیب متان-نیتروژن به منظور تفکیک اثرات شیمیایی NH3 از اثرات رقیقسازی سوخت استفاده شده است. برای شرایط استفاده شده در مطالعه تجربی صورت گرفته، شعلههای پایدار زمانی به دست آمدند که مقدار کسر مولی آمونیاک در سوخت از 0 تا 46/0 متغیر است. افزایش بیشتر کسر مولی آمونیاک منجر به خاموش شدن شعله میشود؛ در حالی که برای ترکیب سوخت متان-نیتروژن تا مثادیر کسر مولی نیتروژن 68/0 امکان دستیابی به شعله پایدار وجود دارد. این موضوع ناشی از اثرات شیمیایی آمونیاک در ناپایداری احتراق است.
موضوع مهم دیگر در ارتباط با احتراق آمونیاک که امکان گسترش و توسعه آن را در کاربردهای صنعتی فراهم میآورد، شناخت دقیق ساختار شعله و پارامترهای مربوط به شعله است. والرا-مدینا و همکاران [13] در مطالعهای به بررسی احتراق پیشآمیخته سوخت رقیق برای محفظه احتراق توربین گاز با استفاده از مشعلهای چرخشی تغذیه شونده با سوخت آمونیاک-هیدروژن پرداختند. با توجه به نرخهای واکنشی پایین آمونیاک برای به کارگیری در محفظه احتراق توربین گاز، در این کار افزودن هیدروژن به این سوخت جهت برطرف کردن این معضل پیشنهاد شده است. مخلوط سوختی استفاده شده در این مطالعه شامل 50 درصد کسر حجمی هیدروژن و 50 درصد کسر حجمی آمونیاک است. علیرغم بهبود قابل توجه صورت گرفته در سرعت شعله آرام با افزودن هیدروژن به آمونیاک و رسیدن به مقادیر سرعت شعله آرام متان، محدوده کوچک عملکرد با توجه به امکان بازگشت شعله به داخل مشعل گزارش شده است. همچنین به علت مقادیر بالای تولید رادیکالهای هیدروکسیل و اکسیژن، میزان ناکس به صورت چشمگیری افزایش مییابد. اوکافور و همکاران [14] در مطالعهای تجربی همراه با محاسبات سینتیک شیمیایی، سرعت سوزش آرام شعله پیشآمیخته متان-آمونیاک هوا را اندازهگیری کردند. نتایج بیانگر آن است که سرعت سوزش شعله آرام با افزایش آمونیاک موجود در سوخت، کاهش مییابد. احتراق آمونیاک-متان در مشعلهای چرخشی مماسی در محفظه احتراق توربین گاز توسط والرا-مدینا و همکاران [13، 15] انجام شد. این مطالعه که به صورت تجربی و مدلسازی عددی انجام شده است نشان میدهد که احتراق کاملا پیشآمیخته متان در محفظه احتراق با استفاده از سوخت آمونیاک کاملاً بهینه نمیباشد. همچنین در اعداد چرخش متوسط، سطح بالایی از ناپایداری شعله مشاهده شده است. همچنین تزریق مستقیم سوخت آمونیاک در زوایای چرخش پایین، بهترین روش ایجاد شعله در این مشعلها معرفی شده است. ژیائو و همکاران [16] مشخصههای احتراق پیشآمیخته آرام متان-آمونیاک را بررسی کردند. در این تحقیق که با استفاده از محاسبات سینتیک شیمیایی انجام شده است، تأثیر پارامترهایی همچون نسبت همارزی و مقدار کسر جرمی آمونیاک در ترکیب سوخت روی مشخصههای احتراقی و انتشار آلایندهها مطالعه شده است. نتایج نشان دهنده آن است که انتشار مقادیر بالای ناکس با وجود کاهش چشمگیر CO و CO2 تولید شده، چالش اصلی در شرایط استفاده از مقادیر بالای آمونیاک درون سوخت است. همچنین بررسی مشخصههای احتراق تحت شرایط افزودن آمونیاک به متان نشان میدهد که امکان کاهش چشمگیر آلایندههای جانبی با حفظ پایداری شعله وجود دارد. لی و همکاران [17] در مطالعهای به ارزیابی مدلهای سینتیکی احتراق آمونیاک، بررسی ویژگیهای آزادسازی گرما در شعلههای NH₃، محاسبه ساختار شعله و نرخ واکنشهای ابتدایی در شعلههای آمونیاک با نسبتهای مختلف افزودن کسر مولی H₂ و بررسی تأثیر افزودن هیدروژن بر مکانیزم زنجیره واکنشها و ویژگیهای آزادسازی گرما پرداختند. در این مطالعه از محاسبات سینتیک شیمیایی شعله آزاد لمینار پیشاختلاط در دما و فشار محیط برای سه نسبت هم ارزی 8/0، 1 و 2/1 استفاده شده و مقادیر کسر مولی هیدروژن از 0 تا 5/0 تغییر میکنند. براساس نتایج بدست آمده از این مطالعه میتوان گفت که افزودن هیدروژن به آمونیاک منجر به افزایش مقدار حرارت آزاد شده از شعله میشود. در مقادیر کم افزودن هیدروژن افزایش حرارت آزاد شده ناشی از اثرات شیمیایی هیدروژن درون سوخت و در مقادیر بالای افزودن کسر مولی هیدروژن این موضوع ناشی از اثرات همزمان فیزیکی و شیمیایی افزودن هیدروژن به آمونیاک است. مطالعه مسیر واکنشهای شیمیایی نشان میدهد که سه واکنش H+NO+M=HNO+M، H+O2=OH+O و H2O+O=OH+OH سه واکنش اصلی گرمازا در افزایش نرخ آزادسازی حرارت با افزودن هیدروژن به سوخت آمونیاک هستند.
اگرچه در سالهای اخیر مطالعات متعددی به بررسی احتراق سوختهای ترکیبی آمونیاک–متان پرداختهاند، بخش عمده این پژوهشها بر ارزیابی اثر نسبت اختلاط سوخت، شرایط عملیاتی، سینتیکهای شیمیایی و ویژگیهای آلایندگی متمرکز بودهاند. در مقابل، تأثیر پارامترهای هندسی سامانه تزریق، بهویژه قطر نازل سوخت، قطر نازل هوا و فاصله میان نازلها، بر رفتار احتراقی این مخلوط سوختی، تاکنون بهصورت نظاممند مورد بررسی قرار نگرفته است. این در حالی است که هندسه سامانه تزریق از طریق کنترل اختلاط اولیه سوخت و اکسیدکننده، شدت بازچرخش محصولات احتراق و نرخ رقیقسازی، نقش تعیینکنندهای در شکلگیری ساختار شعله، پایداری احتراق و توزیع دما ایفا میکند. بر همین اساس، پژوهش حاضر با هدف پر کردن این خلأ، اثر همزمان قطر نازل سوخت، قطر نازل هوا و فاصله میان نازلها را بر عملکرد حرارتی و ویژگیهای شعله در احتراق غیرپیشآمیخته مخلوط متان–آمونیاک در یک کوره بررسی میکند. برای این منظور، مدلسازی عددی مشعل غیرپیشآمیخته دانشگاه هواژونگ انجام شده و تأثیر پارامترهای هندسی بر توزیع دما، ساختار شعله و محدوده تشکیل شعله پایدار تحلیل شده است. در این مطالعه، توزیع دما بهعنوان شاخص ارزیابی عملکرد حرارتی و توزیع رادیکال هیدروکسیل بهعنوان معیار تعیین ساختار و ناحیه واکنش شعله مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج این پژوهش میتواند در طراحی سامانههای تزریق و بهینهسازی مشعلهای مبتنی بر سوختهای آمونیاک–متان برای دستیابی به احتراق پایدار و یکنواخت راهگشا باشد.
در شکل 1، شماتیک و ابعاد هندسی مربوط به کوره احتراقی ارائه شده است. سیستم احتراقی حاضر مربوط به دانشگاه هواژونگ کشور چین بوده که از آن برای مطالعه تجربی با استفاده از سوختهای مختلف تحت رژیمهای احتراقی گوناگون استفاده شده است [18-20]. همانطور که در شکل مشاهده میشود، سوخت از مجرای میانی به قطر 5 میلیمتر وارد کوره شده و اکسیدکننده (هوا) از فضای حلقوی پیرامونی سوخت که دارای قطر داخلی و خارجی به ترتیب برابر با 7 و 17 میلیمتر است، وارد کوره میشود. طول کوره 600 میلیمتر و قطر آن 250 میلیمتر است. انتهای کوره دودکش قرار دارد که شامل یک بخش شیبدار به طول 50 میلیمتر و یک بخش ثابت با طول و شعاع به ترتیب برابر با 50 و 25 میلیمتر است.
Figure 1- Geometry and dimensions of furnace and burner (dimensions in mm)
شکل 1- هندسه و ابعاد کوره و مشعل احتراقی (ابعاد برحسب میلیمتر)
از آنجا که از کوره حاضر برای اندازهگیریهای تجربی با استفاده از هر دو سوخت متان خالص و متان-آمونیاک استفاده شده است، در جدول 1 به بیان شرایط مرزی برای هر یک از حالات احتراقی تحت تستهای تجربی (دادههای مورد استفاده برای اعتبارسنجی) پرداخته شده است.
جدول 1- شرایط مرزی حاکم بر کوره تحت شرایط مخلوطهای متان-هوا و مخلوط متان-آمونیاک-هوا
Table 1- Boundary conditions governed on furnace under the methane-air and methane-ammonia-air mixtures
|
Boundary condition type |
Boundary condition position |
Combustion condition |
|||
|
Species mole fraction (%) |
Pressure (bar) |
Hydrodynamic |
Thermal |
||
|
XCH4= 100% |
Zero gradient |
u=14.2 m/s |
T=298 K |
Fuel inlet |
CH4-air |
|
XO2= 21% XN2= 79% |
Zero gradient |
u=16.37 m/s |
T=298 K |
Oxidant inlet |
|
|
Zero gradient |
Zero gradient |
No-slip |
Insulation |
Furnace wall |
|
|
Zero gradient |
Zero gradient |
No-slip |
Insulation |
Chimney wall |
|
|
Zero gradient |
Pressure outlet |
No-slip |
Insulation |
Furnace outlet |
|
|
XCH4=75, 85, 89, 95, 97, 99, 100 XNH3=25, 15, 11, 5, 3, 1, 0 |
Zero gradient |
Q= 18 lit/min |
T=298 K |
Fuel inlet |
CH4-NH3-air |
|
XO2= 21% XN2= 79% |
Zero gradient |
Q= 190.1 lit/min |
T=298 K |
Oxidant inlet |
|
|
Zero gradient |
Zero gradient |
No-slip |
Insulation |
Furnace wall |
|
|
Zero gradient |
Zero gradient |
No-slip |
Insulation |
Chimney wall |
|
|
Zero gradient |
Pressure outlet |
No-slip |
Insulation |
Furnace outlet |
|
با توجه به تقارن فیزیکی و هندسی (هندسه استوانهای شکل کوره و مشعل) شبیهسازی به صورت متقارن محوری انجام شده است. در مدلسازی عددی، معادلات ناویر-استوکس متوسط گیری شده به روش رینولدز به وسیله نرم افزار انسیس فلوئنت حل شدهاند. به منظور مدلسازی آشفتگی از مدلهای کی-اپسیلون استاندارد[1]، کی-اپسیلون استاندارد اصلاح شده[2]، کی-اپسیلون ریلیزبل[3]، کی-امگا اس اس تی[4] و مدل تنش رینولدز[5] استفاده شده که براساس نتایج بدست آمده، مدل تنش رینولدز برای تقریب عبارتهای تنش رینولدز در معادلات جریان آشفته استفاده شده است. همچنین به منظور مدلسازی برهمکنش میان شیمی و آشفتگی جریان از مدل احتراقی مفهوم اتلاف گردابه[6] به عنوان مدلی با دقت مناسب در شبیهسازی شعله آشفته غیرپیش آمیخته استفاده شده است. مدلسازی عبارت انتقال حرارت تشعشعی با توجه به اهمیتن این انتقال حرارت در فرآیندهای احتراقی به علت دمای بالای شعله به وسیله مدل فاز گسسته[7] انجام شده که در آن محاسبه ضرایب جذب و گسیل با استفاده از مدل جمع وزنی گازهای خاکستری[8] که دقت بالایی در محاسبات فرآیندهای واکنشی در اختیار قرار میدهد، انجام شده است. در نهایت، با توجه به هدف بررسی ساختار شعله و شناسایی محدوده عملکرد پایدار در مطالعه حاضر، لازم است تا از سینتیک شیمیایی در محاسبه نرخ واکنشها استفاده شود که شامل گونههای میانی و رادیکالها بوده و قابلیت پیشبینی مقادیر گونهها را با دقت بالایی داشته باشد. با توجه به این موضوع در قسمت اعتبارسنجی، نتایج مربوط به سه سینتیک GRI3.0، مندیارا[9] و کاست[10] که به صورت گسترده در مطالعات پیشین برای احتراق متان-آمونیاک مورد استفاده قرار گرفته است، ارائه شده و براساس عملکرد، سینتیک شیمیایی با بالاترین دقت جهت ادامه مدلسازیها مورد استفاده قرار گرفته است.
در مدلسازیها از الگوریتم کاپلد[11] به منظور حل معادلات تکانه و معادله فشار بدست آمده از معادله پیوستگی استفاده شده تا سرعت همگرایی حل عددی افزایش یابد. گسستهسازی ترمهای نوفذ از طریق اختلاف مرکزی و برای ترمهای جابجایی با استفاده از روش بالادست مرتبه دوم انجام شده است. معیار همگرایی حل نیز به دو صورت لحاظ شده است؛ معیار اول رسیدن باقی مانده معادله انرژی به کمتر از 6-10 و رسیدن باقی مانده سایر معادلات به کمتر از 5-10 بوده و معیار ثانویه کاهش تغییرات دمایی و رادیکال هیدروکسیل در خروجی کوره به کمتر از یک دهم درصد بین مدلسازی در صد تکرار متوالی است.
در جدول 2، شرایط حاکم بر مدلسازیهای عددی ارائه شده است. هندسه اصلی مورد استفاده در پژوهش تجربی به عنوان هندسه مبنا در نظر گرفته شده و تغییر در قطر نازل سوخت و هوای ورودی و همچنین فاصله میان دو نازل در هر قسمت به گونهای انجام شده است که سایر ابعاد هندسی مطابق با جدول 2، برابر با مقادیر هندسه اصلی میباشند. همچنین باید توجه کرد که در تغییر ابعاد هندسه ورودی شرایط به گونهای در نظر گرفته شده که ابعاد نسبت به هندسه اصلی هم کاهش و هم افزایش داشته باشند تا تأثیر هر دو رویکرد در مطالعه حاضر مشاهده شده باشد. همچنین باید توجه داشت که در هر هندسه تغییرات ترکیب سوخت و متان از شرایط احتراق با متان خالص تا ترکیب آمونیاک با متان تا حداکثر کسر جرمی 90 درصدی مورد توجه قرار گرفته است.
جدول 2- شرایط هندسه ورودی و کسر جرمی آمونیاک برای مدلسازیهای عددی
Table 2- Inlet geometry condition and ammonia mass fraction for numerical modelling
|
YNH3 |
Df (mm) |
L (mm) |
Dh,a (mm) |
Inlet geometry |
No. |
|||||
|
0-0.9 |
4 |
1 |
10 12 14 |
|
1 |
|||||
|
0-0.9 |
4 |
0.5 1 2 4 |
10 |
2 |
||||||
|
0-0.9 |
3 3 6 |
1 |
10 |
3 |
بهمنظور ارزیابی حساسیت نتایج نسبت به اندازه شبکه، چهار شبکه محاسباتی شامل 16800، 30000، 61700 و 115200 سلول مورد بررسی قرار گرفت. معیارهای ارزیابی شامل توزیع دما و کسر مولی رادیکال هیدروکسیل در امتداد محور مرکزی محفظه احتراق بودند. همانگونه که در شکل 2 مشاهده میشود، اختلاف نتایج بین شبکههای 16800 و 30000 سلولی با شبکههای ریزتر قابل توجه است، در حالی که با افزایش تعداد سلولها به 61700، تغییرات هر دو پارامتر به میزان چشمگیری کاهش یافته و انطباق بسیار مناسبی با نتایج شبکه 115200 سلولی حاصل شد. بهمنظور کمیسازی خطای ناشی از گسستهسازی، شاخص همگرایی شبکه نیز بر اساس روش Roache محاسبه شد. مقادیر شاخص هگرایی برای دما و کسر مولی رادیکال هیدروکسیل بهترتیب 2/0% و 8/0% بهدست آمد که بهمراتب کمتر از آستانه متداول 1% بوده و بیانگر استقلال مؤثر نتایج از اندازه شبکه است. با توجه به اختلاف ناچیز بین دو شبکه نهایی و همچنین افزایش قابل توجه هزینه محاسباتی در شبکه 115200 سلولی، شبکه 61700 سلولی بهعنوان شبکه بهینه برای انجام تمامی شبیهسازیهای این پژوهش انتخاب شد.
Figure 2- Grid independence results for temperature and OH mole fraction on the centerline of furnace
شکل 2- نتایج استقلال از شبکه برای دما و کسر مولی گونه OH روی خط مرکزی کوره
اعتبارسنجی مدلهای مختلف و سینتیکهای شیمیایی مورد استفاده در شبیهسازی احتراق از اهمیت بالایی برخوردار است. با توجه به این موضوع برای انجام مطالعه حاضر بررسی مدلهای آشفتگی مختلف، توابع دیواره گوناگون، مدلهای مختلف احتراقی و سه سینتیک شیمیایی پر کاربرد در احتراق متان و متان-آمونیاک صورت پذیرفت. در این قسمت با توجه به حجم بالای نتایج اعتبارسنجی بدست آمده صرفا به مقایسه دادههای حاصل از سینتیکهای شیمیایی مختلف پرداخته میشود (مطالعه روی مدلهای آشفتگی، توابع دیواره و مدل احتراقی نشان میدهد که استفاده از مدل تنش رینولدز، تابع دیواره توسعه داده شده توسط ولفشتین [21, 22] و مدل احتراقی مفهوم اتلاف گردابه منجر به نتایجی با دقت بالا میشود).
پژوهشهای گذشته نشان میدهند که سینتیک شیمیایی کلیدیترین و موثرترین پارامتر در دقت شبیهسازی احتراق سوخت آمونیاک است که علت اصلی آن تحقیقات نسبتا کم پیرامون آن تا سال 2015 است. در طی دهه اخیر مطالعات بسیار گسترده تجربی و عددی در ارتباط با سینتیکهای شیمیایی احتراق آمونیاک انجام شده است که برای افزایش دقت مدلسازیهای عددی و محاسبات شیمیایی بوده است. با توجه به اهمیت موضوع در مطالعه حاضر اعتبارسنجی سینتیک شیمیایی در دو قسمت انجام شده است. در قسمت اول اعتبارسنجی با نتایج کوره که شامل سوخت متان خالص بوده و دادههای تجربی گستردهای را شامل میشوند، انجام گرفته است؛ پس از آن شبیهسازی احتراق سوخت آمونیاک-متان که سوخت اصلی در پژوهش حاضر بوده و هدف اصلی تحقیق است با استفاده از دادههای انتشار ناکس از خروجی کوره انجام شده است. در مطالعه حاضر دادههای سینتیک GRI3.0 با دادههای دو سینتیک شیمیایی مندیارا و همکاران و همچنین سینتیک شیمیایی KAUST که به صورت سینتیک شیمیایی کاهش یافته آرامکو برای احتراق مخلوط آمونیاک-متان ارائه شده است، با دادههای تجربی مقایسه شدهاند. علت انتخاب این دو سینتیکها، دقت بالا در محاسبات مربوط به احتراق آمونیاک-متان با تعداد گونه قابل شبیهسازی در مدلسازیی عددی است. مشخصات مربوط به سینتیکهای انتخاب شده در جدول 3 ارائه شدهاند.
جدول 3- شرایط سینتیکهای شیمیایی انتخاب شده برای اعتبارسنجی
Table 3- Condition of selected chemical mechanisms for validation
|
Reference |
Chemical reaction No. |
Species No. |
Chemical kinetic name |
|
[23] |
325 |
53 |
GRI3.0 |
|
[24] |
779 |
97 |
Mendiara |
|
[25, 26] |
593 |
64 |
KAUST |
شکل 3 مقایسه میان توزیع دما و کسر مولی خشک گونههای دیاکسیدکربن و اکسیژن را برای سه سینتیک شیمیایی جدول 3 با دادههای تجربی نشان میدهد. به طور کلی میتوان مشاهده کرد که دقت سینتیکهای شیمیایی KAUST و مندیارا بالاتر از سینتیک شیمیایی GRI3.0 بوده و در میان سینتیکهای شیمیایی در نظر گرفته شده سینتیک KAUST بالاترین دقت را در پیشبینی مقادیر توزیع دما و کسر مولی گونههای خشک اکسیژن و دیاکسید کربن فراهم میکند. سینتیک شیمیایی KAUST در مقایسه با دو سینتیک دیگر، پیشبینی صحیحتر و دقیقتری از از محل تشکیل شعله ارائه کرده که این موضوع منجر به افزایش دقت مقادیر محاسبه شده در فواصل شعاعی کمتر به ویژه در مقادیر فواصل مرکزی کوچکتر شده است. علت افزایش دقت نتایج با این سینتیک بیشتر مربوط به ضرایب آرنیوسی دقیقتر و در نتیجه دقتبالاتر در محاسبه نرخ واکنشهای شیمیایی است. با توجه به موضوع تحقیق، پیشبینی دقیقتر محل آغاز واکنشهای شیمیایی و ناحیه واکنشی اهمیت بالایی داشته و منجر به افزایش دقت تحلیلها و نتایج حاصل شده خواهد شد.
شکل 4 تغییرات کسر مولی گونههای خشک NO و CO را برای سینتیکهای شیمیایی ارائه شده در جدول 3 با دادههای تجربی در فواصل محوری 115، 185، 250، 350، 450 و 550 میلیمتر نشان میدهد. در این قسمت نیز مشاهده میشود که سینتیک شیمیایی KAUST به علت محاسبه دقیقتر نرخ واکنشهای شیمیایی منجر به کاهش خطا در محاسبه گونههای ناکس و مونوکسیدکربن شده و دقت مدلسازی عددی را به صورت قابل توجهی افزایش میدهد؛ این افزایش به گونهای است که در پیشبینی ناکس دقت مدلسازیها در تمامی فواصل محوری بسیار بالا بوده به گونهای که خطاب متوسط کمتر از 2 درصد و خطای بیشینه حدود 15 درصدی (صرفاً در فاصله محوری 115 میلیمتر) فراهم میآورد.
Figure 3- Validation of radial distribution of temperature, O2 and CO2 dry mole fractions for different chemical kinetics
شکل 3- اعتبارسنجی توزیع شعاعی دما، کسر مولی خشک گونههای دیاکسید کربن و اکسیژن برای سینتیکهای شیمیایی مختلف
Figure 4- Validation of CO and NO dry volume fractions by GRI3.0, Mendiara and KAUST mechanisms
شکل 4- اعتبارسنجی کسر مولی خشک گونههای مونوکسید کربن و ناکس به وسیله سینتیکهای GRI3.0، مندیارا و KAUST
شکل 5 تغییرات مقادیر انتشار ناکس برای احتراق آمونیاک-متان را برای مقادیر 0 تا 25 درصدی کسر حجمی آمونیاک درون سوخت با استفاده از دادههای مدلسازی به کمک دو سینتیک شیمیایی مندیارا و KAUST را با دادههای تجربی نشان میدهد. براساس نتایج بدست آمده میتوان مشاهده کرد که با افزایش آمونیاک موجود در سوخت، اهمیت سینتیک شیمیایی مورد استفاده در پیشبینی دقیقتر دادهها به صورت قابل توجهی افزایش مییابد. دادههای بدست آمده بیانگر دقت بالای سینتیک شیمیایی KAUST در پیشبینی انتشار ناکس در شرایط حضور آمونیاک در ساختار سوخت است (مقادیر خطا برای سینتیک KAUST در تمامی حالات شبیهسازیها کمتر از 5 درصد است).
Figure 5- Comparison of NOx emission values for experimental methane-ammonia combustion by different values of ammonia in fuel with modelling data
شکل 5- مقایسه مقادیر انتشار ناکس تجربی احتراق آمونیاک-متان با مقادیر مختلف آمونیاک در سوخت با دادههای مدلسازی
[1] Standard k-ε
[2] Modified standard k-ε
[3] k-ε realizable
[4] k-ω SST
[5] Reynolds stress model (RSM)
[6] Eddy dissipation concept (EDC)
[7] Discrete ordinate
[8] Weighted-sum-of-gray-gases model (WSGGM)
[9] Mendiara
[10] KAUST
گرمایش جهانی ناشی از انتشار گازهای گلخانهای، به یکی از بزرگترین چالشهای بشر در قرن بیستویکم تبدیل شده است [1، 2]. برای دستیابی به اهداف کاهش انتشار گازهای گلخانهای ضروری است که درصد قابل توجهی از سوختهای فسیلی به عنوان منبع اصلی تولید گازهای گلخانهای با منابع انرژی تجدیدپذیر جایگزین شود. تولید انرژی از اکثر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد، موج، جزر و مد و خورشیدی معمولاً غیر پیوسته و ناپایدار است، بنابراین ذخیره انرژی در باتریها یا بهصورت شیمیایی برای کاهش اثرات نوسانات تولید انرژی لازم است. با این حال، ذخیره انرژی بهصورت شیمیایی از نظر اقتصادی مقرونبهصرفهتر از باتریها است و همچنین امکان جایگزینی سوختهای فسیلی با سوختهای بدون کربن مانند هیدروژن را فراهم میکند [3]. هیدروژن بهدلیل ماهیت بدون کربن خود بهطور گسترده بهعنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر امیدبخش شناخته میشود [4، 5]. آمونیاک نیز فاقد کربن بوده و اخیراً بهعنوان یک حامل مناسب هیدروژن یا محیط ذخیرهسازی هیدروژن در سامانههای انرژی هیدروژنی مورد توجه قرار گرفته است [7،6]. از جمله مزایای احتراق آمونیاک میتوان به نقش آن بهعنوان حامل هیدروژن، دسترسپذیری گسترده، قابلیت مطلوب برای ذخیرهسازی و حملونقل و هزینه پایین تولید آن نسبت به هیدروژن به ازای واحد مشخصی از انرژی ذخیره شده اشاره کرد [8]. از مزایای دیگر این سوخت میتوان به چگالی انرژی حجمی بالاتر، سهولت بیشتر و گستردگی بالاتر در تولید، جابهجایی و توزیع، و همچنین توجیهپذیری تجاری مناسبتری اشاره کرد.
علی رغم مزایای گسترده در ارتباط با احتراق آمونیاک چالشهای موجود در ارتباط با آن یکی از موانع اصلی استفاده فراگیر آن در کاربردهای مختلف بوده است. از جمله چالشهای اصلی احتراق آمونیاک میتوان احتراق ناپایدار اشاره کرد. این چالشها سبب شده در سالهای اخیر مطالعات گستردهای روی احتراق آمونیاک انجام شود. آریمنا و همکاران [9] در مطالعهای با استفاده از واکنشگاه کاملاً مخلوط به بررسی پایداری شعله و انتشار آلاینده ناکس در احتراق آمونیاک، متان و ترکیب آمونیاک-متان به عنوان سوخت پرداختند. در این مطالعه بررسیها تحت رژیم بدون شعله انجام شده و نتایج نشان میدهند در شرایطی که محدوده اشتعالپذیری برای متان خالص به عنوان سوخت نسبت همارزی 48/0 تا 5/2 است، جایگزینی آمونیاک خالص این محدوده را به 6/0 تا 5/1 کاهش میدهد. همچنین استفاده از ترکیب متان و آمونیاک به عنوان سوخت نتایج جالبی را نشان میدهد. ترکیب آمونیاک با سوخت تا حدود نسبت مولی 70 درصدی متان و 30 درصدی آمونیاک تأثیر قابل توجهی بر حد بالای نسبت هم ارزی تشکیل احتراق پایدار تأثیر نداشته و با افزایش بیشتر آمونیاک در مخلوط سوخت حد خاموشی سوخت-غنی به سرعت کاهش مییابد. در حالی که برای حد پایین تشکیل شعله پایدار ترکیب تقریبا مساوی از آمونیاک و متان تأثیر قابل ملاحظهای بر تشکیل شعله پایدار نداشته و افزودن آمونیاک بیشتر به سوخت منجر به افزایش قابل توجه در نسبت هم ارزی تشکیل شعله پایدار میشود. پایداری شعله در مطالعهای تجربی و عددی توسط ژنهوا و همکاران [10] تحت شرایط اکسیژن غنی برای مشعل چرخشی آزمایشگاهی انجام پذیرفت. مطالعه تجربی و عددی برای کسر مولی اکسیژن 3 تا 21 درصد تحت نسبت هم ارزی 8/0 انجام شده است. نتایج نشان میدهند که احتراق غنیشده با اکسیژن یک راهکار مؤثر برای بهبود پایداری شعلههای آمونیاکی است. افزایش کسر مولی اکسیژن باعث افزایش قابل توجه نرخ آزادسازی گرما و نرخ خاموشی شعله میشود. افزایش کسر مولی اکسیژن موجب افزایش کشیدگی شعله شده که اثر آن در بهبود محدوده خاموشی شعله غالب است. این افزایش به معنای بهبود پایداری شعله و کاهش خطر خاموشی در شرایط عملکردی مختلف است. کولسون و همکاران [11] اثر آمونیاک بر پایداری شعله جت متان را با استفاده از شعله جت غیرپیش آمیخته برای مشاهده پایداری شعله، فعل و انفعالات شیمیایی و نحوه تأثیر افزودن آمونیاک بر پایداری شعله چسبیده به مشعل و شعله برخاسته مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه برای هر یک از مخلوطهای انتخاب شده سرعت جت به تدریج افزایش یافت و سرعت جریان هم سوی سوخت و هوا ثابت نگه داشته شده است. مطابق یافتههای این پژوهش، برای شعله جت غیر پیش مخلوط متان میتوان مشاهده کرد که با اضافه شدن آمونیاک موقعیت شعله به سمت جت و پایین دست حرکت میکند. در واقع افزایش کسر مخلوط استوکیومتری، شعله را به سمت سوخت هدایت میکند، جایی که کسر مخلوط برای گسترش آن مطلوبتر است و کاهش واکنش پذیری مخلوط به دلیل اضافه شدن آمونیاک، منجر به پایداری شعله در قسمت پایین دست میشود. نجفی و همکاران [12] در مطالعهای تجربی به بررسی پایداری ساختار شعلههای آرام نفوذی با جریان هم راستای متان-آمونیاک و هوا پرداختند. همچنین از ترکیب متان-نیتروژن به منظور تفکیک اثرات شیمیایی NH3 از اثرات رقیقسازی سوخت استفاده شده است. برای شرایط استفاده شده در مطالعه تجربی صورت گرفته، شعلههای پایدار زمانی به دست آمدند که مقدار کسر مولی آمونیاک در سوخت از 0 تا 46/0 متغیر است. افزایش بیشتر کسر مولی آمونیاک منجر به خاموش شدن شعله میشود؛ در حالی که برای ترکیب سوخت متان-نیتروژن تا مثادیر کسر مولی نیتروژن 68/0 امکان دستیابی به شعله پایدار وجود دارد. این موضوع ناشی از اثرات شیمیایی آمونیاک در ناپایداری احتراق است.
موضوع مهم دیگر در ارتباط با احتراق آمونیاک که امکان گسترش و توسعه آن را در کاربردهای صنعتی فراهم میآورد، شناخت دقیق ساختار شعله و پارامترهای مربوط به شعله است. والرا-مدینا و همکاران [13] در مطالعهای به بررسی احتراق پیشآمیخته سوخت رقیق برای محفظه احتراق توربین گاز با استفاده از مشعلهای چرخشی تغذیه شونده با سوخت آمونیاک-هیدروژن پرداختند. با توجه به نرخهای واکنشی پایین آمونیاک برای به کارگیری در محفظه احتراق توربین گاز، در این کار افزودن هیدروژن به این سوخت جهت برطرف کردن این معضل پیشنهاد شده است. مخلوط سوختی استفاده شده در این مطالعه شامل 50 درصد کسر حجمی هیدروژن و 50 درصد کسر حجمی آمونیاک است. علیرغم بهبود قابل توجه صورت گرفته در سرعت شعله آرام با افزودن هیدروژن به آمونیاک و رسیدن به مقادیر سرعت شعله آرام متان، محدوده کوچک عملکرد با توجه به امکان بازگشت شعله به داخل مشعل گزارش شده است. همچنین به علت مقادیر بالای تولید رادیکالهای هیدروکسیل و اکسیژن، میزان ناکس به صورت چشمگیری افزایش مییابد. اوکافور و همکاران [14] در مطالعهای تجربی همراه با محاسبات سینتیک شیمیایی، سرعت سوزش آرام شعله پیشآمیخته متان-آمونیاک هوا را اندازهگیری کردند. نتایج بیانگر آن است که سرعت سوزش شعله آرام با افزایش آمونیاک موجود در سوخت، کاهش مییابد. احتراق آمونیاک-متان در مشعلهای چرخشی مماسی در محفظه احتراق توربین گاز توسط والرا-مدینا و همکاران [13، 15] انجام شد. این مطالعه که به صورت تجربی و مدلسازی عددی انجام شده است نشان میدهد که احتراق کاملا پیشآمیخته متان در محفظه احتراق با استفاده از سوخت آمونیاک کاملاً بهینه نمیباشد. همچنین در اعداد چرخش متوسط، سطح بالایی از ناپایداری شعله مشاهده شده است. همچنین تزریق مستقیم سوخت آمونیاک در زوایای چرخش پایین، بهترین روش ایجاد شعله در این مشعلها معرفی شده است. ژیائو و همکاران [16] مشخصههای احتراق پیشآمیخته آرام متان-آمونیاک را بررسی کردند. در این تحقیق که با استفاده از محاسبات سینتیک شیمیایی انجام شده است، تأثیر پارامترهایی همچون نسبت همارزی و مقدار کسر جرمی آمونیاک در ترکیب سوخت روی مشخصههای احتراقی و انتشار آلایندهها مطالعه شده است. نتایج نشان دهنده آن است که انتشار مقادیر بالای ناکس با وجود کاهش چشمگیر CO و CO2 تولید شده، چالش اصلی در شرایط استفاده از مقادیر بالای آمونیاک درون سوخت است. همچنین بررسی مشخصههای احتراق تحت شرایط افزودن آمونیاک به متان نشان میدهد که امکان کاهش چشمگیر آلایندههای جانبی با حفظ پایداری شعله وجود دارد. لی و همکاران [17] در مطالعهای به ارزیابی مدلهای سینتیکی احتراق آمونیاک، بررسی ویژگیهای آزادسازی گرما در شعلههای NH₃، محاسبه ساختار شعله و نرخ واکنشهای ابتدایی در شعلههای آمونیاک با نسبتهای مختلف افزودن کسر مولی H₂ و بررسی تأثیر افزودن هیدروژن بر مکانیزم زنجیره واکنشها و ویژگیهای آزادسازی گرما پرداختند. در این مطالعه از محاسبات سینتیک شیمیایی شعله آزاد لمینار پیشاختلاط در دما و فشار محیط برای سه نسبت هم ارزی 8/0، 1 و 2/1 استفاده شده و مقادیر کسر مولی هیدروژن از 0 تا 5/0 تغییر میکنند. براساس نتایج بدست آمده از این مطالعه میتوان گفت که افزودن هیدروژن به آمونیاک منجر به افزایش مقدار حرارت آزاد شده از شعله میشود. در مقادیر کم افزودن هیدروژن افزایش حرارت آزاد شده ناشی از اثرات شیمیایی هیدروژن درون سوخت و در مقادیر بالای افزودن کسر مولی هیدروژن این موضوع ناشی از اثرات همزمان فیزیکی و شیمیایی افزودن هیدروژن به آمونیاک است. مطالعه مسیر واکنشهای شیمیایی نشان میدهد که سه واکنش H+NO+M=HNO+M، H+O2=OH+O و H2O+O=OH+OH سه واکنش اصلی گرمازا در افزایش نرخ آزادسازی حرارت با افزودن هیدروژن به سوخت آمونیاک هستند.
اگرچه در سالهای اخیر مطالعات متعددی به بررسی احتراق سوختهای ترکیبی آمونیاک–متان پرداختهاند، بخش عمده این پژوهشها بر ارزیابی اثر نسبت اختلاط سوخت، شرایط عملیاتی، سینتیکهای شیمیایی و ویژگیهای آلایندگی متمرکز بودهاند. در مقابل، تأثیر پارامترهای هندسی سامانه تزریق، بهویژه قطر نازل سوخت، قطر نازل هوا و فاصله میان نازلها، بر رفتار احتراقی این مخلوط سوختی، تاکنون بهصورت نظاممند مورد بررسی قرار نگرفته است. این در حالی است که هندسه سامانه تزریق از طریق کنترل اختلاط اولیه سوخت و اکسیدکننده، شدت بازچرخش محصولات احتراق و نرخ رقیقسازی، نقش تعیینکنندهای در شکلگیری ساختار شعله، پایداری احتراق و توزیع دما ایفا میکند. بر همین اساس، پژوهش حاضر با هدف پر کردن این خلأ، اثر همزمان قطر نازل سوخت، قطر نازل هوا و فاصله میان نازلها را بر عملکرد حرارتی و ویژگیهای شعله در احتراق غیرپیشآمیخته مخلوط متان–آمونیاک در یک کوره بررسی میکند. برای این منظور، مدلسازی عددی مشعل غیرپیشآمیخته دانشگاه هواژونگ انجام شده و تأثیر پارامترهای هندسی بر توزیع دما، ساختار شعله و محدوده تشکیل شعله پایدار تحلیل شده است. در این مطالعه، توزیع دما بهعنوان شاخص ارزیابی عملکرد حرارتی و توزیع رادیکال هیدروکسیل بهعنوان معیار تعیین ساختار و ناحیه واکنش شعله مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج این پژوهش میتواند در طراحی سامانههای تزریق و بهینهسازی مشعلهای مبتنی بر سوختهای آمونیاک–متان برای دستیابی به احتراق پایدار و یکنواخت راهگشا باشد.
در شکل 1، شماتیک و ابعاد هندسی مربوط به کوره احتراقی ارائه شده است. سیستم احتراقی حاضر مربوط به دانشگاه هواژونگ کشور چین بوده که از آن برای مطالعه تجربی با استفاده از سوختهای مختلف تحت رژیمهای احتراقی گوناگون استفاده شده است [18-20]. همانطور که در شکل مشاهده میشود، سوخت از مجرای میانی به قطر 5 میلیمتر وارد کوره شده و اکسیدکننده (هوا) از فضای حلقوی پیرامونی سوخت که دارای قطر داخلی و خارجی به ترتیب برابر با 7 و 17 میلیمتر است، وارد کوره میشود. طول کوره 600 میلیمتر و قطر آن 250 میلیمتر است. انتهای کوره دودکش قرار دارد که شامل یک بخش شیبدار به طول 50 میلیمتر و یک بخش ثابت با طول و شعاع به ترتیب برابر با 50 و 25 میلیمتر است.
Figure 1- Geometry and dimensions of furnace and burner (dimensions in mm)
شکل 1- هندسه و ابعاد کوره و مشعل احتراقی (ابعاد برحسب میلیمتر)
از آنجا که از کوره حاضر برای اندازهگیریهای تجربی با استفاده از هر دو سوخت متان خالص و متان-آمونیاک استفاده شده است، در جدول 1 به بیان شرایط مرزی برای هر یک از حالات احتراقی تحت تستهای تجربی (دادههای مورد استفاده برای اعتبارسنجی) پرداخته شده است.
جدول 1- شرایط مرزی حاکم بر کوره تحت شرایط مخلوطهای متان-هوا و مخلوط متان-آمونیاک-هوا
Table 1- Boundary conditions governed on furnace under the methane-air and methane-ammonia-air mixtures
|
Boundary condition type |
Boundary condition position |
Combustion condition |
|||
|
Species mole fraction (%) |
Pressure (bar) |
Hydrodynamic |
Thermal |
||
|
XCH4= 100% |
Zero gradient |
u=14.2 m/s |
T=298 K |
Fuel inlet |
CH4-air |
|
XO2= 21% XN2= 79% |
Zero gradient |
u=16.37 m/s |
T=298 K |
Oxidant inlet |
|
|
Zero gradient |
Zero gradient |
No-slip |
Insulation |
Furnace wall |
|
|
Zero gradient |
Zero gradient |
No-slip |
Insulation |
Chimney wall |
|
|
Zero gradient |
Pressure outlet |
No-slip |
Insulation |
Furnace outlet |
|
|
XCH4=75, 85, 89, 95, 97, 99, 100 XNH3=25, 15, 11, 5, 3, 1, 0 |
Zero gradient |
Q= 18 lit/min |
T=298 K |
Fuel inlet |
CH4-NH3-air |
|
XO2= 21% XN2= 79% |
Zero gradient |
Q= 190.1 lit/min |
T=298 K |
Oxidant inlet |
|
|
Zero gradient |
Zero gradient |
No-slip |
Insulation |
Furnace wall |
|
|
Zero gradient |
Zero gradient |
No-slip |
Insulation |
Chimney wall |
|
|
Zero gradient |
Pressure outlet |
No-slip |
Insulation |
Furnace outlet |
|
با توجه به تقارن فیزیکی و هندسی (هندسه استوانهای شکل کوره و مشعل) شبیهسازی به صورت متقارن محوری انجام شده است. در مدلسازی عددی، معادلات ناویر-استوکس متوسط گیری شده به روش رینولدز به وسیله نرم افزار انسیس فلوئنت حل شدهاند. به منظور مدلسازی آشفتگی از مدلهای کی-اپسیلون استاندارد[1]، کی-اپسیلون استاندارد اصلاح شده[2]، کی-اپسیلون ریلیزبل[3]، کی-امگا اس اس تی[4] و مدل تنش رینولدز[5] استفاده شده که براساس نتایج بدست آمده، مدل تنش رینولدز برای تقریب عبارتهای تنش رینولدز در معادلات جریان آشفته استفاده شده است. همچنین به منظور مدلسازی برهمکنش میان شیمی و آشفتگی جریان از مدل احتراقی مفهوم اتلاف گردابه[6] به عنوان مدلی با دقت مناسب در شبیهسازی شعله آشفته غیرپیش آمیخته استفاده شده است. مدلسازی عبارت انتقال حرارت تشعشعی با توجه به اهمیتن این انتقال حرارت در فرآیندهای احتراقی به علت دمای بالای شعله به وسیله مدل فاز گسسته[7] انجام شده که در آن محاسبه ضرایب جذب و گسیل با استفاده از مدل جمع وزنی گازهای خاکستری[8] که دقت بالایی در محاسبات فرآیندهای واکنشی در اختیار قرار میدهد، انجام شده است. در نهایت، با توجه به هدف بررسی ساختار شعله و شناسایی محدوده عملکرد پایدار در مطالعه حاضر، لازم است تا از سینتیک شیمیایی در محاسبه نرخ واکنشها استفاده شود که شامل گونههای میانی و رادیکالها بوده و قابلیت پیشبینی مقادیر گونهها را با دقت بالایی داشته باشد. با توجه به این موضوع در قسمت اعتبارسنجی، نتایج مربوط به سه سینتیک GRI3.0، مندیارا[9] و کاست[10] که به صورت گسترده در مطالعات پیشین برای احتراق متان-آمونیاک مورد استفاده قرار گرفته است، ارائه شده و براساس عملکرد، سینتیک شیمیایی با بالاترین دقت جهت ادامه مدلسازیها مورد استفاده قرار گرفته است.
در مدلسازیها از الگوریتم کاپلد[11] به منظور حل معادلات تکانه و معادله فشار بدست آمده از معادله پیوستگی استفاده شده تا سرعت همگرایی حل عددی افزایش یابد. گسستهسازی ترمهای نوفذ از طریق اختلاف مرکزی و برای ترمهای جابجایی با استفاده از روش بالادست مرتبه دوم انجام شده است. معیار همگرایی حل نیز به دو صورت لحاظ شده است؛ معیار اول رسیدن باقی مانده معادله انرژی به کمتر از 6-10 و رسیدن باقی مانده سایر معادلات به کمتر از 5-10 بوده و معیار ثانویه کاهش تغییرات دمایی و رادیکال هیدروکسیل در خروجی کوره به کمتر از یک دهم درصد بین مدلسازی در صد تکرار متوالی است.
در جدول 2، شرایط حاکم بر مدلسازیهای عددی ارائه شده است. هندسه اصلی مورد استفاده در پژوهش تجربی به عنوان هندسه مبنا در نظر گرفته شده و تغییر در قطر نازل سوخت و هوای ورودی و همچنین فاصله میان دو نازل در هر قسمت به گونهای انجام شده است که سایر ابعاد هندسی مطابق با جدول 2، برابر با مقادیر هندسه اصلی میباشند. همچنین باید توجه کرد که در تغییر ابعاد هندسه ورودی شرایط به گونهای در نظر گرفته شده که ابعاد نسبت به هندسه اصلی هم کاهش و هم افزایش داشته باشند تا تأثیر هر دو رویکرد در مطالعه حاضر مشاهده شده باشد. همچنین باید توجه داشت که در هر هندسه تغییرات ترکیب سوخت و متان از شرایط احتراق با متان خالص تا ترکیب آمونیاک با متان تا حداکثر کسر جرمی 90 درصدی مورد توجه قرار گرفته است.
جدول 2- شرایط هندسه ورودی و کسر جرمی آمونیاک برای مدلسازیهای عددی
Table 2- Inlet geometry condition and ammonia mass fraction for numerical modelling
|
YNH3 |
Df (mm) |
L (mm) |
Dh,a (mm) |
Inlet geometry |
No. |
|||||
|
0-0.9 |
4 |
1 |
10 12 14 |
|
1 |
|||||
|
0-0.9 |
4 |
0.5 1 2 4 |
10 |
2 |
||||||
|
0-0.9 |
3 3 6 |
1 |
10 |
3 |
بهمنظور ارزیابی حساسیت نتایج نسبت به اندازه شبکه، چهار شبکه محاسباتی شامل 16800، 30000، 61700 و 115200 سلول مورد بررسی قرار گرفت. معیارهای ارزیابی شامل توزیع دما و کسر مولی رادیکال هیدروکسیل در امتداد محور مرکزی محفظه احتراق بودند. همانگونه که در شکل 2 مشاهده میشود، اختلاف نتایج بین شبکههای 16800 و 30000 سلولی با شبکههای ریزتر قابل توجه است، در حالی که با افزایش تعداد سلولها به 61700، تغییرات هر دو پارامتر به میزان چشمگیری کاهش یافته و انطباق بسیار مناسبی با نتایج شبکه 115200 سلولی حاصل شد. بهمنظور کمیسازی خطای ناشی از گسستهسازی، شاخص همگرایی شبکه نیز بر اساس روش Roache محاسبه شد. مقادیر شاخص هگرایی برای دما و کسر مولی رادیکال هیدروکسیل بهترتیب 2/0% و 8/0% بهدست آمد که بهمراتب کمتر از آستانه متداول 1% بوده و بیانگر استقلال مؤثر نتایج از اندازه شبکه است. با توجه به اختلاف ناچیز بین دو شبکه نهایی و همچنین افزایش قابل توجه هزینه محاسباتی در شبکه 115200 سلولی، شبکه 61700 سلولی بهعنوان شبکه بهینه برای انجام تمامی شبیهسازیهای این پژوهش انتخاب شد.
Figure 2- Grid independence results for temperature and OH mole fraction on the centerline of furnace
شکل 2- نتایج استقلال از شبکه برای دما و کسر مولی گونه OH روی خط مرکزی کوره
اعتبارسنجی مدلهای مختلف و سینتیکهای شیمیایی مورد استفاده در شبیهسازی احتراق از اهمیت بالایی برخوردار است. با توجه به این موضوع برای انجام مطالعه حاضر بررسی مدلهای آشفتگی مختلف، توابع دیواره گوناگون، مدلهای مختلف احتراقی و سه سینتیک شیمیایی پر کاربرد در احتراق متان و متان-آمونیاک صورت پذیرفت. در این قسمت با توجه به حجم بالای نتایج اعتبارسنجی بدست آمده صرفا به مقایسه دادههای حاصل از سینتیکهای شیمیایی مختلف پرداخته میشود (مطالعه روی مدلهای آشفتگی، توابع دیواره و مدل احتراقی نشان میدهد که استفاده از مدل تنش رینولدز، تابع دیواره توسعه داده شده توسط ولفشتین [21, 22] و مدل احتراقی مفهوم اتلاف گردابه منجر به نتایجی با دقت بالا میشود).
پژوهشهای گذشته نشان میدهند که سینتیک شیمیایی کلیدیترین و موثرترین پارامتر در دقت شبیهسازی احتراق سوخت آمونیاک است که علت اصلی آن تحقیقات نسبتا کم پیرامون آن تا سال 2015 است. در طی دهه اخیر مطالعات بسیار گسترده تجربی و عددی در ارتباط با سینتیکهای شیمیایی احتراق آمونیاک انجام شده است که برای افزایش دقت مدلسازیهای عددی و محاسبات شیمیایی بوده است. با توجه به اهمیت موضوع در مطالعه حاضر اعتبارسنجی سینتیک شیمیایی در دو قسمت انجام شده است. در قسمت اول اعتبارسنجی با نتایج کوره که شامل سوخت متان خالص بوده و دادههای تجربی گستردهای را شامل میشوند، انجام گرفته است؛ پس از آن شبیهسازی احتراق سوخت آمونیاک-متان که سوخت اصلی در پژوهش حاضر بوده و هدف اصلی تحقیق است با استفاده از دادههای انتشار ناکس از خروجی کوره انجام شده است. در مطالعه حاضر دادههای سینتیک GRI3.0 با دادههای دو سینتیک شیمیایی مندیارا و همکاران و همچنین سینتیک شیمیایی KAUST که به صورت سینتیک شیمیایی کاهش یافته آرامکو برای احتراق مخلوط آمونیاک-متان ارائه شده است، با دادههای تجربی مقایسه شدهاند. علت انتخاب این دو سینتیکها، دقت بالا در محاسبات مربوط به احتراق آمونیاک-متان با تعداد گونه قابل شبیهسازی در مدلسازیی عددی است. مشخصات مربوط به سینتیکهای انتخاب شده در جدول 3 ارائه شدهاند.
جدول 3- شرایط سینتیکهای شیمیایی انتخاب شده برای اعتبارسنجی
Table 3- Condition of selected chemical mechanisms for validation
|
Reference |
Chemical reaction No. |
Species No. |
Chemical kinetic name |
|
[23] |
325 |
53 |
GRI3.0 |
|
[24] |
779 |
97 |
Mendiara |
|
[25, 26] |
593 |
64 |
KAUST |
شکل 3 مقایسه میان توزیع دما و کسر مولی خشک گونههای دیاکسیدکربن و اکسیژن را برای سه سینتیک شیمیایی جدول 3 با دادههای تجربی نشان میدهد. به طور کلی میتوان مشاهده کرد که دقت سینتیکهای شیمیایی KAUST و مندیارا بالاتر از سینتیک شیمیایی GRI3.0 بوده و در میان سینتیکهای شیمیایی در نظر گرفته شده سینتیک KAUST بالاترین دقت را در پیشبینی مقادیر توزیع دما و کسر مولی گونههای خشک اکسیژن و دیاکسید کربن فراهم میکند. سینتیک شیمیایی KAUST در مقایسه با دو سینتیک دیگر، پیشبینی صحیحتر و دقیقتری از از محل تشکیل شعله ارائه کرده که این موضوع منجر به افزایش دقت مقادیر محاسبه شده در فواصل شعاعی کمتر به ویژه در مقادیر فواصل مرکزی کوچکتر شده است. علت افزایش دقت نتایج با این سینتیک بیشتر مربوط به ضرایب آرنیوسی دقیقتر و در نتیجه دقتبالاتر در محاسبه نرخ واکنشهای شیمیایی است. با توجه به موضوع تحقیق، پیشبینی دقیقتر محل آغاز واکنشهای شیمیایی و ناحیه واکنشی اهمیت بالایی داشته و منجر به افزایش دقت تحلیلها و نتایج حاصل شده خواهد شد.
شکل 4 تغییرات کسر مولی گونههای خشک NO و CO را برای سینتیکهای شیمیایی ارائه شده در جدول 3 با دادههای تجربی در فواصل محوری 115، 185، 250، 350، 450 و 550 میلیمتر نشان میدهد. در این قسمت نیز مشاهده میشود که سینتیک شیمیایی KAUST به علت محاسبه دقیقتر نرخ واکنشهای شیمیایی منجر به کاهش خطا در محاسبه گونههای ناکس و مونوکسیدکربن شده و دقت مدلسازی عددی را به صورت قابل توجهی افزایش میدهد؛ این افزایش به گونهای است که در پیشبینی ناکس دقت مدلسازیها در تمامی فواصل محوری بسیار بالا بوده به گونهای که خطاب متوسط کمتر از 2 درصد و خطای بیشینه حدود 15 درصدی (صرفاً در فاصله محوری 115 میلیمتر) فراهم میآورد.
Figure 3- Validation of radial distribution of temperature, O2 and CO2 dry mole fractions for different chemical kinetics
شکل 3- اعتبارسنجی توزیع شعاعی دما، کسر مولی خشک گونههای دیاکسید کربن و اکسیژن برای سینتیکهای شیمیایی مختلف
Figure 4- Validation of CO and NO dry volume fractions by GRI3.0, Mendiara and KAUST mechanisms
شکل 4- اعتبارسنجی کسر مولی خشک گونههای مونوکسید کربن و ناکس به وسیله سینتیکهای GRI3.0، مندیارا و KAUST
شکل 5 تغییرات مقادیر انتشار ناکس برای احتراق آمونیاک-متان را برای مقادیر 0 تا 25 درصدی کسر حجمی آمونیاک درون سوخت با استفاده از دادههای مدلسازی به کمک دو سینتیک شیمیایی مندیارا و KAUST را با دادههای تجربی نشان میدهد. براساس نتایج بدست آمده میتوان مشاهده کرد که با افزایش آمونیاک موجود در سوخت، اهمیت سینتیک شیمیایی مورد استفاده در پیشبینی دقیقتر دادهها به صورت قابل توجهی افزایش مییابد. دادههای بدست آمده بیانگر دقت بالای سینتیک شیمیایی KAUST در پیشبینی انتشار ناکس در شرایط حضور آمونیاک در ساختار سوخت است (مقادیر خطا برای سینتیک KAUST در تمامی حالات شبیهسازیها کمتر از 5 درصد است).
Figure 5- Comparison of NOx emission values for experimental methane-ammonia combustion by different values of ammonia in fuel with modelling data
شکل 5- مقایسه مقادیر انتشار ناکس تجربی احتراق آمونیاک-متان با مقادیر مختلف آمونیاک در سوخت با دادههای مدلسازی
[11] Coupled
در مطالعه حاضر به کمک شبیهسازی عددی کوره احتراقی با مشعل غیرپیشآمیخته به بررسی شرایط حرارتی، ساختار شعله و محدوده تشکیل شعله پایدار در احتراق متان-آمونیاک پرداخته شد. بدین منظور مدلسازی عددی کوره دانشگاه هواژونگ با توجه به شرایط عملکردی با استفاده از سوخت متان و سوخت ترکیبی آمونیاک-متان مورد توجه قرار گرفت. براساس دادههای حاصل شده میتوان گفت که افزودن آمونیاک به سوخت متان به عنوان راهکاری عملی در کاهش انتشار گازهای گلخانهای با چالشهایی از جمله کاهش دما درون محفظه و تغییر الگوی حرارتی همراه است که در صورت استفاده در مشعلهای صنعتی این موضوع باید مورد توجه قرار گیرد. این تغییر در ترکیب سوخت منجر به تغییر در ساختار شعله و کاهش محدوده تشکیل شعله پایدار نیز میشود. از اینرو تغییر در هندسه مشعل برای دستیابی به محدوده پایدار عملکرد شعله و شرایط حرارتی یکسان مورد توجه قرار گرفته است. سه پارامتر هندسی قطر سوخت ورودی، قطر هیدرولیکی ورودی هوا و فاصله میان ورودی سوخت و هوا در مقادیر مختلف کسر جرمی آمونیاک بررسی شده است. نتایج نشان میدهند که در سرعتهای ثابت هوای ورودی، کاهش قطرهای ورودی سوخت و هوا و همچنین کاهش فاصله میان دو نازل منجر میشود تا بتوان در محدوده وسیعتری از کسرهای جرمی آمونیاک وارد شده به سوخت بتوان به شعلهای پایدار دست پیدا کرد. همچنین تغییر در پارامترهای هندسی ذکر شده میتواند به عنوان عاملی اساسی در دستیابی به شرایط حرارتی مشابه با احتراق متان خالص نقش بازی کند. از اینرو میتوان گفت که تغییر در این سه پارامتر هندسی نقشی کلیدی در جایگزینی مشعلهای صنعتی احتراقی متان خالص با سوخت آمونیاک- متان ایفا کرده و راهکاری موثر در تشکیل شرایط احتراقی و حرارتی مشابه است. لازم به ذکر است که در مطالعه حاضر صرفاً نتایج شرایط حرارتی و ساختار شعله مورد تحلیل قرار گرفتند؛ بررسی اثر تغییرات هندسی بر تشکیل آلایندههای نیتروژنی، بهویژه NO، میتواند بهعنوان یکی از مسیرهای مهم تحقیقات آینده مورد توجه قرار گیرد.
