سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مطالعه عددی و آزمایشگاهی تاثیر رقیقساز N2 بر تشکیل آلاینده NOx در شعله پیشآمیخته متان-هوا

نویسندگان
محمد محمودی آریا
حمید ممهدی هروی
دانشکده فنی و مهندسی، گروه مکانیک،دانشگاه آزاد اسلامی مشهد،ایران
چکیده
رقیق‌سازی به ‌عنوان یکی از روش‌های کاهش‌ دمای بیشینه محفظه‌ احتراق محسوب می‌شود که سبب کاهش تشکیل NO گرمایی می‌شود. روش‌های کنترل تشکیل NOxهمگی بر اساس کنترل دما و یا محدودکردن غلظت اکسیژن استوار است. در تحقیق حاضر، هدف مطالعه‌ عددی و آزمایشگاهی تاثیر رقیق‌ساز N2 بر‌روی تشکیل آلاینده‌ NOx در شعله‌ پیش‌آمیخته متان- هوا در محفظه‌‌ احتراق است. نتایج آزمایشگاهی با ساخت کوره‌ای با محفظه احتراق استوانه‌ای که دارای تقارن محوری است به دست آمده­ اند. آزمایش­ها برای نسبت‌های هم‌ارزی 7/0 تا 3/1 و نسبت‌های مختلف رقیق‌سازی انجام شده است. شبیه‌سازی احتراق به ‌وسیله زیربرنامه PREMIX نرم ­افزار CHEMKIN II و با استفاده از نسبت‌های مختلف رقیق‌ساز N2 و در محدوده‌ای از نسبت‌های هم‌ارزی بررسی شده است. نتایج آزمایشگاهی و شبیه‌سازی نشان می‌دهند که با افزایش نسبت رقیق‌سازی دمای بیشینه شعله و انتشار آلاینده‌ NOx از محفظه احتراق کاهش می‌یابند. همچنین نتایج آزمایشگاهی و شبیه‌سازی حاضر توافق خوبی را نشان می‌دهند و روند نتایج به دست‌ آمده با نتایج آزمایشگاهی نیازکوف و همکاران مطابقت دارد.

تازه های تحقیق

در این پژوهش تاثیر رقیق‌سازی بر‌روی تولید NOx به صورت آزمایشگاهی و عددی بررسی شده‌ است. نتایج نشان می‌دهند:  

- با رقیق‌سازی سوخت، دمای محفظه‌ احتراق به دلیل افزایش ظرفیت ‌گرمایی مخلوط و کاهش غلظت اکسیژن، کاهش می‌یابد.

- بیشترین غلظت NOx در شعله پیش‌آمیخته متان- هوا بدون اعمال رقیق‌سازی، در نسبت هم‌ارزی 95/0 اتفاق می‌افتد.

- نتایج آزمایشگاهی رقیق‌سازی با N2 در حالت استوکیومتری نشان می‌دهد که به ‌ازای 2/0β =، میزان انتشار آلاینده NOx  نسبت به حالت بدون رقیق‌سازی (0β =)، 39 درصد کاهش می‌یابد. همچنین نتایج شبیه‌سازی در ‌0/1= φ نیز کاهش 45 درصدی انتشار NOx را نسبت به حالت بدون رقیق‌سازی پیش‌بینی می‌کند.

- نتایج آزمایشگاهی و شبیه‌سازی در نسبت هم‌ارزی 0/1 (حالت استوکیومتری) و نسبت‌های هم‌ارزی بالاتر (حالت پرسوخت)، توافق بسیار خوبی را نشان می‌دهند.

- نتایج آزمایشگاهی و شبیه‌سازی در نسبت رقیق‌سازی 2/0β =، تطابق بسیار خوبی را نشان می‌دهند. همچنین نتایج  به دست آمده روند خوبی را با نتایج آزمایشگاهی نیازکوف و همکارانش نشان می‌دهند.

- نتایج آزمایشگاهی رقیق‌سازی با N2، در محدوده نسبت‌های هم‌ارزی 7/0 تا 3/1، به طور متوسط 56 درصد کاهش انتشار NOx را نسبت به حالت بدون رقیق‌سازی نشان می‌دهد. همچنین نتایج شبیه‌سازی نیز به طور میانگین و در محدوده نسبت‌های هم‌ارزی ذکر شده کاهش 67 درصدی انتشار NOx را نسبت به حالت بدون رقیق‌سازی پیش‌بینی می‌کند.

کلیدواژه‌ها
NOx
رقیقسازی
شبیهسازی
آزمایشگاهی
پیشآمیخته

عنوان مقاله English

Experimental and Numerical Study of N2 Dilution on NOx Emission in Methane-Air Premixed Flames

نویسندگان English

Mohammad Mahmoodi Arya
Hamid Momahedi Heravi
Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Mashhad, Iran
چکیده English

Dilution is one of the ways to reduce maximum temperature in the combustion chamber, which in turn leads to a reduction in the formation of thermal NO. The methods to control NOx formation are all based on temperature control and/or reduction in oxygen concentration. In the present paper, the numerical and experimental studies aim to examine the effect of N2 dilution on the formation of the pollutant NOx in the premixed flame of methane-air in the combustion chamber. The experimental results were obtained by designing a furnace with a cylindrical combustion chamber which was asymmetrical. The experiments were conducted with the equivalence ratios 0.7 to1.3 and various dilution ratios .Combustion simulation was studied using the Premix code of the CHEMKIN II version and various N2 dilution ratios within a range of equivalence ratios. The experimental and simulation results indicated that by increasing the ratio of dilution, maximum temperature of the flame and emission of the pollutant NOx from the combustion chamber decreases. The experimental and simulation results are also in good agreement and the trends of the obtained results conform with the experimental results of Knyazkov et al.

کلیدواژه‌ها English

NO­
x, Dilution, Simulation, Experimental, Premix
1.     Bell, S. R., and Gupta, M., “Extinsion of The Lean Operating Limit For Natural Gas Fueling of a Spark Ignited Engine Using Hydrogen Blending,” Combustion Science and Technology, 123, pp. 23-48, 1997.
2.     Schefer, R. W., Wicksall, D. M., and Aggarwal, S. K., “Combustion of Hydrogen-Enriched Methane in a Lean Premixed Swil-Stablized Burner,” Proc. of the 29th Symposium (International) on Combustion, pp. 843-851, 2002.
3.     Hill, S. C., and Smoot, L. D., ”Modelling of Nitrogen Oxides Formation and Destruction in Combustion System”, Prog. Energy Combustion Science, 26, pp. 417-458, 2000.
4.     Zeldovich, Y. A., Oxidation of Nitrogen in Combustion, Academy of Sciences of  USSR, Institute of Chemical Physics, Moscow-Leningrad, 1947.
5.     Pershing, D. W., and Wendt, J. O. L., “Relative Contributions of Volatile Nitrogen and Char Nitrogen to NOx Emissions from Pulverized Coal Flames,” Ind. Eng. Chem. Proc. Design and Dev., 18, NO. 60, 1979.
6.     Ren, J. Y., Qin, W., Egolfopoulos, F. N., and Tsotsis, T. T., “Strain-Rate Effects on Hydrogen-Enhanced Lean Premixed Combustion,” Combustion and Flame, 124, pp. 717-720, 2001.
7.     Rortveit, G. J., Zepter, K., Skreiberg, O., Fossum, M., and Hustad, J. E., “A Comparision of Low-NOx Burners For Combustion of Methane and Hydrogen Mixtures,” Proc. of the Combustion Institute, 29, pp. 1123-1129, 2002.
8.     Ghoniem, A. F., Annaswamy, A., Park, S., and Sobhani, Z. C., “Stability And Emissions Control Using Air Injection And H2 Addition in Premixed Combustion,” Proc. of the Combustion Institute, 30, NO. 2, pp. 1765-1773, 2005.
9.     Yamaoka, I., and Tsuji, H., “Anomalous Behavior of Methane-Air and Methane-Hydrogen-Air Flames Diluted with Nitrogen in a Stagnation Flow,” Combustion Inst., Pittsburgh, pp. 145-152, 1992.
10.  Wierzba, I., and Ale, B. B., “Rich Flammability Limits of Fuel Mixtures Involving Hydrogen at Elevated Tempratures,” International Journal  of Hydrogen Energy, 25, pp. 75-80, 2000.
11.  Jackson, G. S., Sai, R., Plaia, J. M., Boggs, C. M., and Kiger, K. T., “Influence of H2 on Response of Lean Premixed CH4 Flames to High Strained Flows,” Combustion and Flame, 132, pp. 503-511, 2003.
12.  Liuzzo, G., Verdone, N., and Bravi, M., “The Benefits of Flue Gas Recirculation in Waste Incineration,” waste management, 27, pp. 106-116, 2007.
13.  Warnats, J., Mass, U., and Dibble, R. W., Combustion, Springer, 2000.
14.  Lazic, L., Varga, A., and Kizek, J., “An Experimental Study of the Influence of FGR on NOx Formation,” Material in Technology, 38, pp. 31-38, 2004.
15.  Littlejohn, D., Majeski A. J., Tonse, S., and Castaldini, C., “Laboratory Investigation of an Ultralow Nox Premixed Combustion Concept For Industrial Boilers,” Proc. of The Combustion Institute, 29, pp. 1115-1121, 2002.
16.  Ho keun kim, and Yongomo kim, “NO Reduction in 0.03-0.2 MW Oxy-Fuel Combustor using Flue Gas Recirculation Technology,” Proceedings of the Combustion Institute, 31, pp. 3377-3387, 2007.
17.  Cho, E. S. and Chung, S. H., “Characteristics of NOx Emission with Flue Gas Dilution in Air and Fuel Sides,” KSME 12, pp. 2303-2309, 2004.
18.  Dally, B. B., Riesmeier, E., and Peters, N., “Effect of Fuel Mixture on Moderate and Intense Low Oxygen Dilution Combustion,” Combustion and Flame, 137, pp. 418-431, 2004.
19.  Salvador, S., Kara, Y., and Commandre, J. M., “Reduction of NO Emissions from a VOC Recuperative Incinerator by Dilution of the Fuel Supply,” Applied Thermal Engineering, 24, pp. 245-254, 2004.
20.  Cho Eun-Seong, Chung Suk Ho, “Numerical Study on NOx Emission with Flue Gas Dilution in Air and Fuel Sides,” Journal of Mechanical Science and Technology (KSME Int. J.), 19, No. 6, pp. 1358-1365, 2005.
21.  Giles, D. E., Som, S., and Aggarwal, S. K. “NOx Emission Characteristics of Counterflow Syngas Diffusion Flames with Airstream Dilution,” Fuel, 85, pp. 1729-1742, 2006.
22.  Prathap, C., Ray, A., and Ravi, M. R., “Investigation of Nitrogen Dilution Effects on the Laminar Burning Velocity and Flame Stability of Syngas Fuel at Atmospheric Condition,” Combustion and Flame, 155, pp. 145-160, 2008.
23.  Kee, R. J., Rupley, F. M., and Miller, J. A., “CHEMKIN II: A Fortran Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas Phase Chemical Kinetics,” Sandia National Laboratories Report No, SAND 89-8009, 1989.
24.  Deuflhard, P., “Newton Methods for Nonlinear Problems. Affine Invariance and Adaptive Algorithms,” Computational Mathematics, 35, Springer, 2004.
25.  Bowman, C. T., Davidson, D. F. H., Gradiner, W. C., Lissanski, V. Jr., Smith, G. P., Golden, D. M., Frenklach, M., and Goldenberg, M., http://www.me.berkeley.edu/gri-mech
26.  Deuflhard, P., and Bornemann, F., Scientific Computing with Ordinary Differential Equations, Texts in Applied Mathematics, 42, Springer, 2002.
27.  Peters, N., “Flame Calculation with Reduced Mechanism,” Combustion Science and Technology, 34, pp. 98-112, 1983.
28.  Turns, S. R., An Introduction to Combustion: Concepts and Applications, Mc GrawHill, 2000.
29.  Kee, R. J., Grear, J. F., Smooke, M. D., and Miller, J. A., “A Fortran Program for Modeling Steady Laminar One - Dimensional Premixed Flames,” Sandia Technical Report SAND 85, 8240, 1985.
30.  Cecile Cohe, Christian Chauveau, Iskender Gokalp, and Dilek Funda Kurtulus, “CO2 Addition and Pressure Effects on Laminar and Turbulent Lean Premixed CH4-air Flames,” Proceedings of the Combustion Institute, 32 , pp. 1803-1810, 2009.
31.  Knyazkov, D. A., Shmakov, A. G., Dyakov, I., Korobeinichev, O. P., De Ruyck, J., and Konnov, A. A., “Formation and Destruction of Nitric Oxide in Methane Flames Doped with NO at Atmospheric Pressure,” Proceedings of the Combustion Institute, 32, pp. 327-334, 2009.
Cheng, R. K., Yegian, D. T., Miyasato, M. M., Samuelsen, G. S., Benson, C. E., Pellzzari, R. and Loftus, P., “Scaling and Development of  Low-Swirl Burners for Low Emission Furnaces and Boilers,” Proceeding of Combustion Institute, 28, pp. 1305-1313, 2000