تحليل عددي و آزمايشگاهي اثر گرمايش مستقيم سوخت گاز طبيعي بر تشكيل دوده، خصوصيات احتراقي، درخشندگي و توليد NOx در شعله نفوذي گاز طبيعي

Investigating the effects of direct heating of natural gas on soot formation, flame temperature, luminosity and emissions: A combined experimental and numerical approach

در اين مقاله، با هدف افزايش تابش شعله گاز طبيعي، اثر گرمايش مستقيم سوخت در محفظه پيش احتراق بر توليد ذرات كربني در فرايند احتراق و تاثير آن بر درخشندگي شعله، دماي محصولات احتراق و همچنين انتشار آلاينده هاي احتراقي مورد مطالعه عددي و آزمايشگاهي قرار گرفته است. كل دبي جرمي سوخت ورودي ثابت بوده كه از دو مجراي مختلف وارد محفظه پيش احتراق مي شوند. ابتدا، سوخت اوليه به صورت محوري و سپس سوخت خوراك به صورت شعاعي در شعله حاصل از گاز اوليه تزريق شده و اثر نسبت سوخت اوليه به كل دبي سوخت مطالعه شده است. شبيه سازي ها به صورت سه بعدي انجام شده و براي مدلسازي احتراق از مفهوم كسر مخلوط و با درنظر گرفتن اثرات آشفتگي بر نرخ واكنش هاي شيميايي از مدل تابع چگالي احتمال با توزيع فرضي استفاده شده است. نتايج عددي نشان مي دهد كه در نسبت هاي سوخت اوليه به كل دبي سوخت كمتر از 50 درصد، دوده ناشي از احتراق ناقص سوخت خوراك در محفظه پيش احتراق باعث افزايش انتشارCO در خروجي كوره و كاهش بازده احتراق مي شود. اما، در نسبت هاي سوخت اوليه به كل دبي سوخت بيشتر از 50 درصد و كامل تر شدن فرايند احتراق، به علت تجزيه حرارتي سوخت خوراك و توليد كربن زنده، تابش از شعله افزايش يافته است. در نسبت سوخت اوليه به كل دبي سوخت برابر 85 درصد، ذرات كربني به ميزان 9 درصد دبي سوخت كل توليد مي شود و اين ذرات كربني در داخل شعله اصلي با كسب انرژي درخشان شده و در نتيجه آن تابش 15درصد افزايش و انتشار الاينده NOx حدود PPM52 كاهش يافته است. نتايج عددي و تجربي توزيع دما و انتشار NOx تطابق خوبي نشان مي دهند.

In this paper, the effects of directly heating fuel (natural gas) in a gas-fired furnace equipped with a precombustor on soot production, luminosity, flame temperature and NOx emissions are investigated numerically and experimentally. Changing F1 and F2 (feeding) fuel rates, in constant total fuel flow rate, are conducted for various ratios. A probability density function (PDF) which is parameterized by the mean and variance of mixture fraction was used to model the chemical reactions. To describe the effects of turbulences on soot formation, a Moss–Brooks model and a 𝛽-PDF in terms of normalized temperature is employed. The results reveal that for <50%, the luminosity of flame increases due to the incomplete combustion of the feeding fuel ensuing soot production. This causes carbon monoxide (CO) emission to significantly increase. On the other hand, for =85%, the maximum solid carbon mass fraction and the flame radiation increases by 9% and 15%, respectively. In addition, nitrogen oxides (NOx) emissions reduce to 52 ppm.