نوع مقاله : مقاله پژوهشی
تازه های تحقیق
در پژوهش حاضر، اثر تغییر آرایش ورودیهای سوخت و هوا و خصوصاً فاصلهی میان این ورودیها در یک کورهی بدون شعله بررسی شد و نتایج شبیهسازیهای انجام شده برای شش طرح پیشنهادی ورودی سوخت و هوا مورد بررسی قرار گرفت. این مطالعه بر روی کورهای برگرفته از کوره دالی که یک کوره در مقیاس آزمایشگاهی است، انجام شده است. کوره دالی یک کوره مرجع است و معمولاً بهعنوان کوره مبنا در احتراق بدون شعله در نظر گرفته میشود و طراحیها میتوانند با تغییر روی کوره مبنا اعمال شوند. نتایج بهدستآمده به شرح زیر است:
· نتایج نشان داد که میزان بیشینه ضریب بازچرخانی داخلی نسبت به کوره اولیه توسط دالی و همکاران [11] در تمامی هندسهها بیشتر از 5/2 برابر میشود. همچنین مشاهده میشود با تغییر فاصلهی میان ورودیها و کاهش قطرشان، میزان ضریب بازچرخانی داخلی در مقطع 400 میلیمتری، در مقایسه با بیشترین ضریب بازچرخانی محمدزاده، به میزان 1/2 برابر رشد داشته است. همچنین میزان بیشینه ضریب بازچرخانی در این مطالعه، نسبت به پژوهش التجایی و همکاران، 9% رشد داشته است. این افزایش در نتیجه بزرگتر شدن طول گردابه پایینی و دربرگرفته شدن فضای بزرگتری از کوره و کاهش فضای مرده است. همچنین با کاهش قطر ورودی شاهد افزایش تکانه ورودی سوخت و هوا هستیم. همچنین در حالت ضربدر، شاهد ضریب بازچرخانی بیشتری نسبت به فاصلههای مشابه در آرایش بعلاوه هستیم که عامل این موضوع اختلاط بهتر سوخت و هوا و رسیدن مخلوط سوخت و هوا به کنارههای هندسهی مستطیلی است [23،22].
· مقدار بیشینهی دما در هندسهی شمارهی 1 و 4، از باقی حالات کمتر است. در حالت ضربدر، با کاهش فاصلهی میان ورودی سوخت و هوا از 20 میلیمتر به 12 میلیمتر، میزان بیشینه دمای کوره از 1822 تا 1707 کلوین کاهشیافته است. در حالت آرایش بعلاوه نیز با کاهش فاصلهی بین ورودی سوخت و هوا از 28 به 20 و از 20 به 12 میلیمتر، مقدار بیشینه دما از 1822 ابتدا به 1745 و بعد به 1726 کلوین کاهش یافته است. همچنین در هر دو حالت آرایش بعلاوه و ضربدر، با افزایش فاصله ورودی سوخت و هوا، اختلاف دمای بیشینه و دمای میانگین کوره افزایش یافته و توزیع دما ناهمگنتر شده است. عامل این موضوع، بالاتر بودن ضریب بازچرخانی داخلی در تمامی نقاط کوره و همچنین بزرگتر بودن طول گردابههای پایینی و در برگرفتن فضای بیشتری از کوره در حالتی که دو ورودی به هم نزدیکتر هستند.
· با تحلیل توزیع گرمای واکنش درون کوره، معین شد که با افزایش میزان فاصلهی میان ورودیهای سوخت و هوا، واکنشها زودتر رخ داده و مانع از رسیدن واکنشهای احتراقی به انتهای کوره میشود؛ که میزان و پخش حرارت آزاد شده نشاندهندهی این موضوع است. میزان حرارت آزاد شده در حالتی که فاصلهی میان ورودی سوخت و هوا حداقل است، مقدار بیشینهای دارد و این موضوع نمایانگر پتانسیل بالاتر این هندسهها برای تولید حرارت هستند. همچنین مقدار انحراف از معیار حرارت آزاد شده در هندسههای پیشنهادی نشان میدهد که در هندسهی شماره 4، حرارت بهصورت یکنواختتری نسبت به باقی هندسهها در حجم کوره آزاد میشود.
· میزان تولید آلاینده CO و گاز گلخانهای CO2 در تمامی هندسههای پیشنهادی تقریباً مقدار ثابتی است. مکانیزم حرارتی نیز اثر بسیاری روی تولید آلاینده دارد. طوری که با کاهش بیشینه دما از 1822 به 1707 کلوین، میزان تولید ناکس از 83/9 به 14/2 رسیده است و بهبود یافته است.
· در مجموع، هندسه شماره 4 بهعلت فاصلهی کم میان دمای بیشینه و دمای میانگین و پایینتر بودن میزان آلاینده تولیدی نسبت به چهار هندسه دیگر، یکنواختی آزادسازی حرارت بهتر و بالاتر بودن میانگین دما نسبت به هندسه شماره 1، بهعنوان هندسهی جدید پیشنهادی برای کورهی مورد مطالعه انتخاب میشود.
· وجود شی مصرف کننده در کوره، میتواند رژیم کلی جریان را در کوره، تغییر دهد. نتایج حاصله در این مطالعه میتواند به انتخاب موقعیت مناسب برای قرارگیری مصرفکننده منجر شود. با قرار دادن مصرف کننده در کوره، انتقال حرارت قطعه مورد بررسی قرار گیرد. میدان جریان در شکلگیری رژیم احتراق بدون شعله و دمای بیشینه و میانگین در کوره، نقش مهمی دارد.
عنوان مقاله English
نویسندگان English
The purpose of this study is to investigate the conditions governing a flameless combustion furnace with natural gas fuel. In this article, by changing the arrangement and distances of the four symmetrical air inlets from the central fuel inlet, The concept of eddy dissipation model with coefficient correction has been used to model combustion with reduced chemical kinetics DRM22. Two symmetrical cross arrangements "X" and "+" configuration, were determined to minimize the dead space in the furnace for air inlets. Lower limit of the air and fuel inlet distance was assumed to be 12 mm and the upper limit of this distance was 36 mm in the simulation. Most of all, by examining the combustion parameters, the proposed geometry was selected for the construction of the furnace. The recirculation factor (Kv) has been increased by 2.6 times compared to the base furnace. Also, the maximum temperature has decreased by 5% and the difference between the maximum and average temperature by 77 Kelvin compared to the basic furnace, and this indicates better temperature uniformity. Also, the maximum heat of reaction of specified point in the furnace has increased by 63% compared to the base furnace and indicates the higher potential of the furnace in heat treatment. It is possible to extend results of this research to natural gas industrial furnaces.
کلیدواژهها English
احتراق بدون شعله یک فناوری جدید است که اساس آن افزایش نرخ بازچرخشی (داخلی یا خارجی) گازهای داغ احتراقی با دمایی بالاتر دمای خود اشتعالی مخلوط سوخت است که موجب کاهش غلظت اکسیژن در ناحیههای واکنشی و انتشار شعله و نواحی واکنشی در فضای کوره میشود. در نتیجه احتراق بدون شعله باعث کاهش دمای بیشینه، افزایش دمای میانگین، کاهش اختلاف دمای بیشینه و کمینه در نواحی واکنشی، کاهش آلایندههای محیطزیستی مانند اکسید نیتروژن و مونوکسید کربن، کاهش مصرف سوخت و افزایش بهرهوری اقتصادی میشود. این فناوری بهصورت کاربردی بهخصوص در صنایع فولاد و متالورژی مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج استفاده از احتراق بدون شعله با استفاده از پیشگرمایش بهوسیلهی بازیاب حرارتی[1] بیان کرده است که بازده تا بیش از 30 درصد قابل افزایش بوده و بهطور همزمان آلایندگی اکسید نیتروژن تا 70 درصد قابل کاهش است [1]. فناوری بدون شعله دارای ویژگیهای مهم دیگری نیز است که در اینجا به برخی از آنها اشاره شده است. در این نوع احتراق فضایی را که سوخت در آن اکسید میشود، بیشتر توسط گازهای بیاثر اشغال شده و مقدار اکسیژن موجود در این فضا، حدود 3 تا 5 درصد است [2]. دمای هوای ورودی تا بالاتر از 900 کلوین پیشگرم میشود و تا 1600 کلوین هم گزارش شده است. توزیع دما در محفظهی احتراق تقریباً همگن است، پس مقدار تنش حرارتی[2] پایین است. در این فناوری، انتقال حرارت تشعشعی همگن است و انعطافپذیری نسبت به سوخت مصرفی با توجه به عدم وجود شعله و به دنبال آن عدم مشکل پایداری شعله، از خصوصیات بسیار مهم این فناوری به حساب میآید [3].
در ادامه به مطالعه پژوهشهای پراهمیت در احتراق بدون شعله پرداخته میشود. کریشنامورتی و همکاران [4]، بر روی کورهای استوانهای شکل با طول 5/4 متر و قطر 5/1 متر که با رژیم احتراقی سوخت-اکسیژن[3] کار و توان 26 کیلووات بر متر مکعب ایجاد میکند کار کردند. چند آرایش متفاوت برای ورودی نازلها در نظر گرفته شد. در احتراق با رژیم شعلهدار، در قسمت مرکز مشعل، درصد مولی گونههای کربن مونوکسید و هیدروژن بیشتر از حالت بدون شعله است و همچنین میزان گازهای سوخته نشده اتان و پروپان در دو حالت مساوی است. مصرف سوخت در حالت رژیم احتراق بدون شعله به آرامی انجام میشود و تا حدود شعاع 02/0 میلیمتر حضور دارد، درحالیکه در رژیم احتراق شعلهدار، سوخت تا شعاع 01/0 میلیمتر وجود دارد و این به یکنواختتر شدن احتراق و شعله در حالت رژیم احتراق بدون شعله کمک میکند. همچنین حضور گونه دیاکسید کربن در قسمت مرکز مشعل که از محصولات احتراق است، نشاندهنده این است که در حالت بدون شعله بازچرخانی گاز سوخته بهخوبی انجام میشود. لی و همکاران[5] در سال ۲۰۱۷ به تحلیل عددی اثر چیدمان نازل و سرعت ورودی سوخت و هوا و نسبت سوخت به هوا (اکسنده) در ایجاد رژیم احتراق بدون شعله در یک مخزن اکسایش جزئی غیر کاتالیستی گاز متان پرداختند. پیکربندی برای دو حالت نفوذی معکوس[4] و معمولی[5] که در هر دو حالت، سوخت و اکسیژن بهصورت پیشگرم نشده و در دما و فشار اتاق تزریق میشود. شعله در مدل چینش معمولی کاملاً مرئی و واضح است. این شعله قابل مشاهده به خاطر اکسیژن و گاز سوخته با دمای بالا به وجود میآید، اما هنگامی که آرایش از چینش معمولی به چینش معکوس تغییر میکند، شعله غیرقابل مشاهده میشود. توزیع یکنواخت دما در تمام نواحی محفظه احتراق در حالت چینش معکوس قابلمشاهده است، متان بهازای چینش معمولی، در قسمتی باریک از احتراق سریعاً مصرف میشود ولی به ازای چینش معکوس، متان در ناحیه بزرگتری از محیط محفظه احتراق به مصرف میرسد و درنتیجه واکنشهای احتراق در ناحیهی بزرگتری اتفاق میافتد.
یکنواختی شعله و پارامترهای مهم احتراق در عملکرد کوره تأثیرگذار میباشند. ژو و همکارانش [6] به تحلیل ورودی مشعل برای رسیدن به رژیم احتراق بدون شعله پرداختند. ساختار ورودی مشعل در حالت رژیم احتراق شعلهدار، دارای یک جسم صلب بعد از ورودی سوخت و هوا است و باعث اختلاط دیرتر میشود ولی در حالت رژیم احتراق بدون شعله، اختلاط سریعتر انجام میشود. ساختار شعله پیشبینیشده در حالت با شعله، به لبه مشعل تو خالی متصل شده و با پیشرفت محدوده احتراق در پاییندست، پهنای شعاعی آن به محدوده وسیعتری را در بر میگیرد. اما در حالت احتراق بدون شعله، رادیکال OH در ناحیه وسیعتری پخش شده است و غلظت پایینتری از OH در مجاورت خروجی مشعل وجود دارد و این به معنی این است که شعله با یکنواختی بیشتری پخش میشود. خلیل و گوپتا [7] به بررسی تأثیر پیکربندیهای متفاوت جایگیری ورودی سوخت و خروجی محصولات احتراق در یک محفظه احتراق طراحی شده برای توربین گازی را بر کارکرد رژیم احتراق بدون شعلهی به وجود آمده آزمایشگاهی برای سوخت متان پرداختند. آنها نتیجه گرفتند در چینشی که اختلاط میان سوخت و محصولات احتراقی در آن افزایش یافته بود، شدت گونه رادیکالی هیدروکسیل افزایش مییابد و ناحیه توزیع آن وسیعتر میشود. بعلاوه کاهش نسبت همارزی موجب کم شدن شدت گونه رادیکالی میشود. در سال2021 تو و همکاران[8]، به روشهای عددی و تجربی ویژگیهای رژیم احتراق بدون شعله در سوختهای هیدروکربنی را بررسی کردند. بهصورت ویژه، C3H8 بهعنوان سوخت سنگینتر برای پژوهش انتخاب شد. مطالعه در یک کوره مقیاس آزمایشگاهی تحت دو حالت رژیم احتراق با شعله و بدون شعله، انجام شده است. دو مدل پیکربندی متفاوت برای ورودی سوخت و هوا منظور شده است. چینش اول، ورودی هوا قطر بزرگتر و فاصله بیشتری از ورودی سوخت دارا است که با یک دیواره تا سر کوره از هم جدا میشوند. در مسیر ورود جریان هوا به کوره، مانعی وجود دارد. در چینش بعدی، ورودی هوا قطر و فاصله کمتری از ورودی سوخت دارد و سوخت و هوا در داخل خود مشعل با هم مخلوط شده و از مجرایی وارد محفظه کوره میشوند. در احتراقی که ورودی سوخت و هوا نزدیک یکدیگر هستند، رژیم احتراق بدون شعله مشاهده میشود.
با توجه به مطالعات پیشین، با در نظر گرفتن اهمیت توزیع یکنواخت دما و در نتیجه افزایش بازدهی حرارتی در کوره عملیات حرارتی، در این پژوهش به بررسی رژیم احتراق بدون شعله با تغییر دادن آرایش ورودیهای هوا پرداختیم. آرایش ورودیها تأثیر زیادی روی رژیم احتراقی و پارامترهای پراهمیت در کورههای احتراق بدون شعله دارند. بررسی مطالعات نشان داد، خلأ تحقیقاتی در زمینهی بررسی تأثیر فاصله ورودی هوا از سوخت روی احتراق بدون شعله با گاز متان و همچنین عدم بررسی تأثیر چینش ورودیها روی پارامترهای احتراقی مهم شامل ضریب بازچرخانی، پراکندگی رادیکال OH و آلایندگی مونوکسید نیتروژن وجود دارد و فقط یک پژوهش روی کورهای غیر از کوره دالی و با سوخت پروپان به این موضوع پرداخته است. همچنین، هیچگونه مطالعهای در بررسی هندسههای سامانه کوره آزمایشگاهی احتراق بدون شعله با سوخت متان انجام نشده است؛ بنابراین، در پژوهش حاضر با بررسی تأثیر تغییر پیکربندی ورودیهای هوا، خلأ تحقیقاتی در این زمینه برطرف خواهد شد.
معادلات حاکم، هندسه و روش حل عددی
برای پیشبینی احتراق بدون شعله در یک کوره آزمایشگاهی، نیاز به مدلسازی آشفتگی، احتراقی و انتقال حرارت تشعشعی است. پیشبینی دقیق آشفتگی جریان در مدلسازی احتراق بسیار مهم است، زیرا بر میدان جریان و آشفتگی-شیمی جریان تأثیر زیادی دارد. برای محاسبه آشفتگی جریان از مدلهای دو معادلهای مثل k-ε و k-ω میتوان استفاده نمود. به دلیل اینکه مدل k-ω به حل مستقیم متغیرها در نزدیکی دیواره میپردازد، نیاز به شبکه ریزتر و سنگینتر در نزدیکی دیواره دارد [9،10]. مدل k-ε، تقریب نیمه تجربی مبتنی بر محاسبهی رابطهی انتقال انرژی جنبشی آشفتگی و نرخ اضمحلال آن است. طبق پژوهش کریستو و دالی [11] مدل k-εتحققپذیر، ضعفهای مدل k-ε استاندارد در شبیهسازی جریانهای دارای ناحیهی بازچرخانی را حل میکند. همچنین آنها نشان دادند مدل k-εاستاندارد با اصلاح ضریب از 44/1 به 6/1 نسبت به مدل k-εتحققپذیر انطباق بسیار خوبی با نتایج آزمایش تجربی دارد و همچنین نسبت به k-ω هزینه محاسباتی بسیار کمتری دارد؛ در نتیجه برای مدلسازی آشفتگی جریان، مدل k-ε استاندارد اصلاح شده برگزیده شد.
بهمنظور مدلسازی نرخ اعمال واکنش و انتقال گونهها، مدلهای گوناگونی بیان شده است. پژوهشهای عددی روی کورههای احتراق بدون شعله بیان کردهاند که مدل احتراقی مفهوم اتلاف گردابه[6] توزیع دما و گونهها را با دقت قابل قبولی پیشبینی میکند [12،13]؛ چون میتواند برهمکنش اغتشاشی و واکنشی را برای سینتیک شیمیایی به کمک واکنشهای جزئی مفصل منظور کند و سبب انطباق خوب نتایج شبیهسازی شده با نتایج تجربی شود. در این مدل مفروض است که واکنشها در نواحیِ اضمحلال انرژی آشفتگی اتفاق میافتند [14]. پژوهش عددی مردانی [15] روی مشعل [7]JHC نیز مشخص کرد که با ثابت کردن ضریب CD1 و کم کردن ضریب CD2 باعث کاهش ثابت ضریب مقیاس زمانی واکنش( ) به 0893/0 و مقیاس کسر حجمی به عدد 1 شده که باعث بهبود نتایج شبیهسازی احتراقی از روش مدل مفهوم اتلاف گردابه در تعیین ارتفاع شعله، مقدار بیشینهی دما و گونهها میشود. میزان کسر حجمی سلول محاسباتی است که داخل آن واکنش شیمیایی رخ میدهد و مقیاس زمانی است که واکنش شیمیایی در آن انجام میشود. با کم شدن ضرایب، نرخ انجام واکنشها کم میشود و در ناحیهی وسیعتری صورت میگیرد؛ در نتیجه، به احتراق بدون شعله نزدیک میشود. همانطور که در جدول1 مشاهده میشود، دیهی و همکاران[16]، بر روی کوره اعتبارسنجی شده، مقدارهای متفاوتی برای ضرایب و مورد تحلیل قرار دادند. آنها بیان کردند، مقدار 1357/0 و 0737/0 باعث افت مقدار ثابت مقیاس زمانی واکنش به 1567/0 و مقیاس کسر حجمی به 3161/1 شده تا برای این کوره با وسیعتر شدن ناحیهی انجام واکنش و کاهش حرارت آزاد شده، نتایج پیشبینی بهبود یابد.
جدول1- ضرایب مدل احتراقی EDC استفاده در پژوهش مطابق مطالعه دیهی و همکاران[16]
Table 1- The coefficients of the EDC combustion model in the study as study of D.He i et al[16].
|
mass fraction constant |
residence time scale |
Coefficient |
|
|
|
Variable |
|
2.1377 |
0.4083 |
Default Value |
|
1.3161 |
0.1567 |
Modified Value |
سینتیک شیمیایی نقش پراهمیتی در حصول دما و گونههای شیمیایی در احتراق ایفا میکند. سینتیک شیمیایی کاهشیافتهی DRM19 با 19 گونه و 84 واکنش، DRM22 با 22 گونه و 104 واکنش و سینتیک شیمیایی GRI3.0 با 53 گونه و 325 واکنش از سینتیک شیمیاییهای معروف مورد استفاده در مدلسازی احتراق بدون شعله میباشند. گلتی و همکاران[9] بیان کردند که میانگین خطای نسبی در پیشبینی دمای متوسط با استفاده از سینتیک شیمیایی DRM19 و GRI3.0 برابر بوده و کمتر از 5% در مقایسه با دادههای تجربی است. سینتیک شیمیایی DRM22 با تقریب خوبی همهی واکنشهای مربوط به اکسیداسیون گاز متان را در بر میگیرد. خصوصاً واکنشهای مربوط به که برای اکسیداسیون متان پراهمیت است [10]. در این پژوهش، در آغاز، با استفاده از سینتیک شیمیایی چهار مرحلهای جانز و لینستد[8] [17] احتراق مدلسازی شد. این سینتیک شیمیایی دارای6 گونهی ، ، ، ، و (بعلاوه بهعنوان گاز بیاثر) و 4 واکنش است. گونههای میانی پراهمیت شامل رادیکالOH* و مسیرهای اکسیداسیون متان را منظور نمیکند. با دانش به هزینههای محاسباتی زیاد از حل با GRI3.0، پس از همگرایی حل سینتیک شیمیایی چهار مرحلهای، سینتیک شیمیایی کاهشیافتهی DRM22 جایگزین شد. این سینتیک شیمیایی نیز مسیرهای مربوط به تشکیل را منظور نمیکند که با درصدی خطا میتوان از طریق پس پردازش مقدار را پیشبینی کرد.
با توجه به دمای بالای کورهی احتراق بدون شعله و حضور محصولات احتراقی با ضریب جذب و نشر بالا مانند کربن دیاکسید و بخار آب، احتیاج به مدلسازی انتقال حرارت تشعشعی نیز است. مدلهای عددی متفاوتی برای این هدف وجود دارد. مدل P1 و مدل جهات گسسته پرکاربردترین مدلهای تشعشعی هستند [18،19]. در مدل P1 معادلهی انتقال تشعشع بهصورت یک رابطهی دیفیوژن است. چون فقط شامل حل یک معادلهی نفوذ است، مدل ساده و کم هزینهای است. این مدل در محیطهایی با ضخامت نوری بالای 1 قابل استفاده است؛ در نتیجه، برای احتراقی که دارای ضخامت نوری کمتر از 1 است، دقت قابل قبولی ندارد. اما مدل DO در همهی محدودههای نوری قابل استفاده است. این مدل، معادلهی انتقال تشعشع را به مختصات کروی انتقال داده و محاسبه میکند [20]؛ درنتیجه بهعنوان مدلسازی انتقال حرارت تشعشعی، مدل DO مورد استفاده قرار گرفت. میزان پرتو تشعشعی در مدل DO در مدلسازی سهبعدی از رابطهی (1) بهدستآمده که برای هر پرتو تشعشعی یک رابطهی انتقال حل میشود. و و N تعداد تقسیمها در جهات و و تعداد کل جهات در مختصات کروی میباشند. در این پژوهش، مدل تشعشعی DO با چینش 8×3×3 انتخاب شد. این مقدار ابتدا 2×2×8، 3×3×8 و در آخر 4×4×8 در نظر گرفته شد. چینش اول با دوم حدود 40 درجه اختلاف دما داشت، اما چینش تشعشعی دوم و سوم اختلاف 11 درجهای داشتند که مقدار قابل قبولی است. مقدار ضریب جذب ثابت در نظر گرفته نشد و از راه مجموع وزنی گازهای خاکستری به دست آورده شد [21].
