كمينه‌سازي توليد آلاينده‌ها در كنار بيشينه‌سازي تابش از يك شعله گاز طبيعي با هواي مرحله‌اي شده

Minimization of the emission of pollutants along with maximization of radiation from an airstaged natural gas flame

مرحله‌اي نمودن هوا به تأمين ناكافي هوا به ناحيه‌ي واكنشي از طريق مرحله‌ي ابتدايي، و تكميل تأمين هوا از طريق مرحله يا مراحل بعدي اطلاق مي‌گردد. مطالعه‌ي حاضر با استفاده از ابزار مدلسازي عددي، به بهينه‌سازي سيستم هواي مرحله‌اي يك مشعل با دو ورودي هوا و يك ورودي سوخت (گاز طبيعي) مي‌پردازد. نسبت هم‌ارزي هواي اول (با فرض ثابت ماندن نرخ جرمي كل هواي ورودي)، و فاصله‌ي ميان ورودي‌هاي هوا به عنوان متغيرهاي طراحي مساله در نظر گرفته شده‌اند. در تحقيقات پيشين، تكنولوژي مرحله‌اي نمودن هوا اساساً در جهت كاهش گسيل اكسيدنيتروژن به كار گرفته شده است. اما در مطالعه‌ي حاضر، علاوه بر گسيل اكسيدنيتروژن، گسيل مونواكسيدكربن و دوده، و انتقال گرماي تابشي از شعله به عنوان توابع هدف مورد توجه واقع شده‌اند. نتايج نشان مي‌دهد كه افزايش ميزان مرحله‌اي كردن (يا افزايش نسبت هم‌ارزي هواي اول) اثرات متضادي بر توابع هدف دارد، بطوريكه، به عنوان اثرات مثبت، موجب افزايش انتقال گرماي تابشي از شعله و كاهش گسيل اكسيد نيتروژن، و به عنوان اثرات منفي، موجب افزايش گسيل مونواكسيدكربن و دوده مي‌شود. همچنين نتايج نشان مي‌دهد زماني‌كه همگي توابع هدف نامبرده شده به صورت همزمان مورد توجه قرار گيرند، حالت بهينه، كه بر اساس مفهوم جبهه‌ي پارتو انتخاب مي‌گردد، حالتي است كه در آن هواي اوليه در حدود 20 درصد هواي تئوري مورد نياز باشد.

Air staging is defined as the supply of inadequate air from the primary stage to the reaction zone, and the completion of the air supply through the next stage or stages. This study is concerned with the optimization of the air staging system of a burner with two air inlets and one fuel (natural gas) inlet with the help of numerical modeling. The equivalence ratio of the primary air (with the assumption of a fixed total air mass flow rate), and the distance between the two air inlets constitute the design variables of the problem. In the previous research works, the air staging technology has been mainly employed as a method to reduce the emission of NO. However, in the current study, in addition to the emission of NO, the emissions of CO and soot, and radiative heat transfer from the flame are considered as the objective functions. The results show that increasing the level of air staging (or the equivalence ratio of the primary air) has contradictory effects on the objective functions so that, as positive influences, it increases the radiative heat transfer from the flame and decreases the emission of NO, and as negative effects, it increases the emission of both CO and soot. The results also indicate that when all the previously mentioned objectives are considered simultaneously, the optimal case, which is selected based on the Pareto front concept, is the case in which the primary air is about 20% of the theoretical air.