سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

طراحی مقیاس‌پذیر کوره‌های احتراق بدون شعله مبتنی بر گروه‌های بدون‌بُعد و تحلیل عددی سه‌بعدی برای حفظ رژیم واکنش توزیع‌شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محمدامین زمانی 1
علیرضا اصغرزاده کرمشاهلو 2
محمدحسن سعیدی 3
1 دانشگاه صنعتی شریف، مهندسی مکانیک
2 دانشگاه صنعتی شریف،مهندسی مکانیک
3 دانشگاه صنعتی شریف مهندسی مکانیک
10.22034/jfnc.2026.562641.1450
چکیده
در این پژوهش یک چارچوب جدید و یکپارچه برای مقیاس‌گذاری کوره‌های احتراق بدون شعله، مبتنی بر تحلیل ابعادیπ -باکینگهام و ترکیب تحلیلی انرژی-اگزرژی، توسعه داده شده است. هدف این چارچوب، حفظ رژیم احتراق توزیع‌شده در گذار از کوره آزمایشگاهی 10 کیلووات به نمونه صنعتی 10 مگاوات است. بر این اساس، مجموعه‌ای از پارامترهای هندسی، جریان، انتقال حرارت و واکنش‌های شیمیایی انتخاب و شش گروه بدون‌بُعد مستقل استخراج می‌شود. مدل‌سازی سه‌بعدی CFD با مدلEDC ، مکانیزم GRI-Mech 3.0 و مدل تشعشعی DO نشان می‌دهد که روش مقیاس‌گذاری پیشنهادی قادر است دمای بیشینه را با اختلاف تنها 7/%1 و دمای میانگین را با اختلاف 8/%1 بازتولید کند. همچنین انتشار CO از mg/kJ64 به mg/kJ 41 و انتشار NO از mg/kJ53 به mg/kJ 27 کاهش می‌یابد. علاوه‌براین، تحلیل Ret و Da نشان می‌دهد که این روش بهترین تطابق را در بازتولید برهم‌کنش آشفتگی-شیمی دارد. ارزیابی انرژی و اگزرژی نیز نشان می‌دهد که بازده‌ها در دو مقیاس آزمایشگاهی و صنعتی تقریباً ثابت می‌ماند. این نتایج ثابت می‌کند که چارچوب پیشنهاد‌شده، رویکردی قابل‌اعتماد برای طراحی کوره‌های صنعتی کم‌آلاینده و پایدار در رژیم احتراق بدون شعله ارائه می‌دهد.

تازه های تحقیق

در این مطالعه، یک چارچوب نوآورانه و مبتنی بر اصول فیزیکی برای مقیاس‌گذاری کوره‌های احتراق بدون شعله از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی ارائه شد. این چارچوب با تعریف مجموعه‌ای از متغیرهای کلیدی و استخراج شش عدد بدون‌بُعد مستقل توانست شرایط لازم برای حفظ رژیم احتراق توزیع‌شده را در ابعاد مختلف تضمین کند. به طور خلاصه، تحلیل مقایسه‌ای میدان دما، توزیع آلاینده‌ها، الگوهای خطوط جریان، پروفایل‌های بازچرخانی داخلی، اعداد رینولدز توربولانسی و دامکوهلر و همچنین بازده‌های انرژی-اگزرژی در روش‌ مقیاس‌گذاری ارائه‌شده نشان می‌دهد که این روش قادر است ضمن اینکه رژیم احتراق بدون شعله را در گذار از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی با موفقیت حفظ کند، یکنواختی دما را بهبود بخشیده، توزیع دمای میانگین و بیشینه را با اختلاف کمتر از 2% پیش‌بینی نموده، انتشار CO و NO را در محدوده مجاز استاندارد آلایندگی EPA به حداقل رسانده و شدت بازچرخانی داخلی گازهای احتراق (FGR) را بیش از شش برابر افزایش می‌دهد. همچنین کاهش 36% در ضخامت ناحیه واکنش و حفظ بازده قانون اول و دوم ترمودینامیک، عملکرد برتر این روش در مقیاس‌گذاری را اعتبارسنجی می‌کند. این برتری عمدتاً ناشی از حفظ مطلوب پروفایل‌های سرعت و هندسه نازل در این روش است که در کنار یکدیگر، اختلاط مؤثر سوخت و هوا و آزادسازی حرارت را به‌صورت توزیع‌شده تضمین می‌کند. علاوه بر این، ارزیابی اعداد رینولدز توربولانسی و دامکوهلر تأیید می‌کند که روش مقیاس‌گذاری ارائه شده به نزدیک‌ترین مقدار Ret×Da در کوره آزمایشگاهی دست می‌یابد و بدین ترتیب تعادل صحیح میان مقیاس‌های زمانی اختلاط و شیمیایی را بازتولید می‌کند. این یافته‌ها تأیید می‌کنند که روش‌ مقیاس‌گذاری مبتنی بر تحلیل بدون بُعد، در ترکیب با طراحی آگاهانه ساختارهای جریان و بازچرخانی، برای دستیابی به پایداری رژیم در سامانه‌های احتراق بدون شعله، ضروری است. به طور کلی، نتایج نشان می‌دهند که حفظ احتراق بدون شعله در فرایند مقیاس‌گذاری به طور حیاتی به سه عامل کلیدی بستگی دارد:

1.         دستیابی به FGR کافی از طریق تناسب قطر به طول و بدین ترتیب حفظ زمان ماند و افزایش شدت بازچرخانی.

2.         حفظ اعداد رینولدز توربولانسی و دامکوهلر در محدوده‌های پایدار برای ایجاد تعادل در برهم‌کنش‌های آشفتگی-شیمی.

3.         تضمین یکنواختی حرارتی برای مهار ایجاد گرادیان در جبهه‌های موضعی شعله.

در حالی که روش‌های تجربی مرسوم اغلب این پارامترها را نادیده می‌گیرند، چارچوب پیشنهادی به طور ذاتی آن‌ها را حفظ کرده که عملکرد برتر این روش را توضیح می‌دهد. در مجموع، چارچوب ارائه‌شده ابزاری قدرتمند و قابل‌اتکا برای طراحی و توسعه کوره‌های صنعتی کم‌آلاینده و پایدار در رژیم احتراق بدون شعله بوده و می‌تواند پایه‌ای برای گسترش فناوری‌های پاک و کارآمد در کاربردهای صنعتی آینده فراهم آورد.

کلیدواژه‌ها
مقیاس‌گذاری احتراق
احتراق بدون شعله
تحلیل ابعادی
تحلیل انرژی-اگزرژی
بازچرخانی گاز دودکش
موضوعات

عنوان مقاله English

Scalable Design of Flameless Combustion Furnaces Based on Dimensionless Groups and Three-Dimensional Numerical Analysis for Preserving the Distributed Reaction Regime

نویسندگان English

Mohamad-Amin Zamani 1
Alireza Asgharzadeh Karamshahlu 2
Mohammad Hassan Saidi 3
1 Sharif University of Technology
2 Sharif University of Technology
3 Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology
چکیده English

IIn this study, a new unified framework for scaling flameless combustion furnaces is developed based on π-Buckingham dimensional analysis and an integrated energy–exergy evaluation. The objective of the framework is to preserve the distributed reaction regime during the scale-up from a 10 kW laboratory furnace to a 10 MW industrial system. Accordingly, a set of geometric, flow, heat-transfer, and reaction-kinetics parameters is selected, and six independent dimensionless groups are derived. Three-dimensional CFD simulations employing the EDC combustion model, the GRI-Mech 3.0 mechanism, and the DO radiation model indicate that the proposed scaling method can reproduce the peak temperature with only a 1.7% deviation and the mean temperature with 1.8% deviation. Furthermore, CO emissions decrease from 64 to 41 mg/kJ and NO emissions from 53 to 27 mg/kJ in the scaled-up configuration. Analysis of Ret and Da confirms that this method provides the closest match in reproducing turbulence-chemistry interaction. Energy and exergy assessments also show that the efficiencies remain nearly unchanged between the laboratory and industrial scales. Overall, the results demonstrate that the proposed framework offers a reliable approach for designing low-emission and thermally stable industrial furnaces operating in the flameless combustion regime.

کلیدواژه‌ها English

Combustion scaling
Flameless combustion
Dimensional analysis
Energy&‌‌‌‌‌ndash
exergy analysis
Flue gas recirculation

در این مطالعه، یک چارچوب نوآورانه و مبتنی بر اصول فیزیکی برای مقیاس‌گذاری کوره‌های احتراق بدون شعله از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی ارائه شد. این چارچوب با تعریف مجموعه‌ای از متغیرهای کلیدی و استخراج شش عدد بدون‌بُعد مستقل توانست شرایط لازم برای حفظ رژیم احتراق توزیع‌شده را در ابعاد مختلف تضمین کند. به طور خلاصه، تحلیل مقایسه‌ای میدان دما، توزیع آلاینده‌ها، الگوهای خطوط جریان، پروفایل‌های بازچرخانی داخلی، اعداد رینولدز توربولانسی و دامکوهلر و همچنین بازده‌های انرژی-اگزرژی در روش‌ مقیاس‌گذاری ارائه‌شده نشان می‌دهد که این روش قادر است ضمن اینکه رژیم احتراق بدون شعله را در گذار از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی با موفقیت حفظ کند، یکنواختی دما را بهبود بخشیده، توزیع دمای میانگین و بیشینه را با اختلاف کمتر از 2% پیش‌بینی نموده، انتشار CO و NO را در محدوده مجاز استاندارد آلایندگی EPA به حداقل رسانده و شدت بازچرخانی داخلی گازهای احتراق (FGR) را بیش از شش برابر افزایش می‌دهد. همچنین کاهش 36% در ضخامت ناحیه واکنش و حفظ بازده قانون اول و دوم ترمودینامیک، عملکرد برتر این روش در مقیاس‌گذاری را اعتبارسنجی می‌کند. این برتری عمدتاً ناشی از حفظ مطلوب پروفایل‌های سرعت و هندسه نازل در این روش است که در کنار یکدیگر، اختلاط مؤثر سوخت و هوا و آزادسازی حرارت را به‌صورت توزیع‌شده تضمین می‌کند. علاوه بر این، ارزیابی اعداد رینولدز توربولانسی و دامکوهلر تأیید می‌کند که روش مقیاس‌گذاری ارائه شده به نزدیک‌ترین مقدار Ret×Da در کوره آزمایشگاهی دست می‌یابد و بدین ترتیب تعادل صحیح میان مقیاس‌های زمانی اختلاط و شیمیایی را بازتولید می‌کند. این یافته‌ها تأیید می‌کنند که روش‌ مقیاس‌گذاری مبتنی بر تحلیل بدون بُعد، در ترکیب با طراحی آگاهانه ساختارهای جریان و بازچرخانی، برای دستیابی به پایداری رژیم در سامانه‌های احتراق بدون شعله، ضروری است. به طور کلی، نتایج نشان می‌دهند که حفظ احتراق بدون شعله در فرایند مقیاس‌گذاری به طور حیاتی به سه عامل کلیدی بستگی دارد:

1.         دستیابی به FGR کافی از طریق تناسب قطر به طول و بدین ترتیب حفظ زمان ماند و افزایش شدت بازچرخانی.

2.         حفظ اعداد رینولدز توربولانسی و دامکوهلر در محدوده‌های پایدار برای ایجاد تعادل در برهم‌کنش‌های آشفتگی-شیمی.

3.         تضمین یکنواختی حرارتی برای مهار ایجاد گرادیان در جبهه‌های موضعی شعله.

در حالی که روش‌های تجربی مرسوم اغلب این پارامترها را نادیده می‌گیرند، چارچوب پیشنهادی به طور ذاتی آن‌ها را حفظ کرده که عملکرد برتر این روش را توضیح می‌دهد. در مجموع، چارچوب ارائه‌شده ابزاری قدرتمند و قابل‌اتکا برای طراحی و توسعه کوره‌های صنعتی کم‌آلاینده و پایدار در رژیم احتراق بدون شعله بوده و می‌تواند پایه‌ای برای گسترش فناوری‌های پاک و کارآمد در کاربردهای صنعتی آینده فراهم آورد.

[1] S. Sharma, R. Kumar, A. Chowdhury, Y. Yoon, and S. Kumar, "On the effect of spray parameters on CO and NOx emissions in a liquid fuel fired flameless combustor,"  Fuel, vol. 199, pp. 229–238, 2017.
[2] K.-P. Cheong, G. Wang, J. Si, and J. Mi, "Nonpremixed MILD combustion in a laboratory-scale cylindrical furnace: Occurrence and identification, " Energy, vol. 216, p. 119295, 2021.
[3] J. Tian, X. Liu, H. Shi, Y. Yao, Zh. Ni, K. Meng, P. Hu, and Q. Lin,. "Experimental study on MILD combustion of methane under non-preheated condition in a swirl combustion furnace," Appl. Energy, vol. 363, p. 123109, 2024.
[4] S. Zhou, X. Zhu, B. Yan, Q. Gao, G. Chen, and B. Li, "Role of a hot coflow on establishment of MILD combustion of biomass gasified gas," Fuel, vol. 314, p. 123142, 2022.
[5] H. M. Gad, A. M. Salman, T. M. Farag, and I. A. Ibrahim, "Gaseous fuel diffusion flame with low oxygen concentrations," Results Eng., vol. 19, p. 101359, 2023.
[6] S. Zhou et al., "MILD combustion of low calorific value gases," Prog. Energy Combust. Sci., vol. 104, p. 101163, 2024.
[7] J. Mi, P. Li, B. B. Dally, and R. A. Craig, "Importance of initial momentum rate and air-fuel premixing on moderate or intense low oxygen dilution (MILD) combustion in a recuperative furnace," Energy & Fuels, vol. 23, no. 11, pp. 5349–5356, 2009.
[8] J. Mi, P. Li, F. Wang, K.-P. Cheong, and G. Wang, "Review on MILD combustion of gaseous fuel: its definition, ignition, evolution, and emissions," Energy & Fuels, vol. 35, no. 9, pp. 7572–7607, 2021.
[9] D. He, Y. Yu, Y. Kuang, and C. Wang, "Analysis of EDC constants for predictions of methane MILD combustion," Fuel, vol. 324, p. 124542, 2022.
[10]         E. Drubetskoi, S. Eckart, and H. Krause, "Short overview on combustion systems scale‐up with emphasis on NOx emissions of gas‐fired furnaces," Energy Sci. Eng., vol. 10, no. 2, pp. 621–629, 2022.
[11]         C. Meraner, T. Li, M. Ditaranto, and T. Løvås, "Effects of scaling laws on the combustion and NOx characteristics of hydrogen burners," Combust. Flame, vol. 214, pp. 407–418, 2020.
[12]         A. Mardani and A. Nazari, "Dynamic adjustment of the Eddy Dissipation Concept model for turbulent/combustion interactions in mixed combustion regimes," Combust. Flame, vol. 241, p. 111873, 2022.
[13]         D. B. Spalding, H. C. Hottel, S. L. Bragg, A. H. Lefebvre, D. G. Shepherd, and A. C. Scurlock, "The art of partial modeling," in Symposium (International) on Combustion, Elsevier, 1963, pp. 833–843.
[14]         Di Nardo, A., Giacomazzi, E., Cimini, M., Troiani, G., Scaccia, S., Calchetti, G., and Cecere, D. "Development of a Low-NO x Fuel-Flexible and Scalable Burner for Gas Turbines.," Energies (19961073), vol. 18, no. 7, 2025.
[15]         S. Pramanik and R. V Ravikrishna, "Investigation of novel scaling criteria on a reverse-flow combustor," Energy, vol. 206, p. 118156, 2020.
[16]         S. Kumar, P. J. Paul, and H. S. Mukunda, "Investigations of the scaling criteria for a mild combustion burner," Proc. Combust. Inst., vol. 30, no. 2, pp. 2613–2621, 2005.
[17]         G. Barroso, T. Nussbaumer, M. Ulrich, T. Reiterer, and S. Feldmeier, "Scale-up methodology for automatic biomass furnaces," J. Energy Inst., vol. 93, no. 2, pp. 591–604, 2020.
[18]         J. A. Cole, T. P. Parr, N. C. Widmer, K. J. Wilson, K. C. Schadow, and W. M. R. Seeker, "Scaling criteria for the development of an acoustically stabilized dump combustor," Proc. Combust. Inst., vol. 28, no. 1, pp. 1297–1304, 2000.
[19]         K. Asimakopoulos, M. Kaufmann-Elfang, Ch. Lundholm-Høffner, N. B.K. Rasmussen, A. Grimalt-Alemany, H. N. Gavala, and I. V. Skiadas,. "Scale up study of a thermophilic trickle bed reactor performing syngas biomethanation," Appl. Energy, vol. 290, p. 116771, 2021.
[20]         N. Ellis and A. Mahecha‐Botero, “Scale‐up of fluidized beds,” Essentials Fluid. Technol., pp. 405–429, 2020.
[21]         P. M. Witt and D. A. Hickman, “Fluidized‐bed reactor scale‐up: Reaction kinetics required.,” AIChE J., vol. 68, no. 9, 2022.
[22]         J. Koornneef, M. Junginger, and A. Faaij, “Development of fluidized bed combustion—An overview of trends, performance and cost,” Prog. energy Combust. Sci., vol. 33, no. 1, pp. 19–55, 2007.
[23]         R. A. Cocco and J. W. Chew, “Fluidized bed scale-up for sustainability challenges. 1. tomorrow’s tools,” Ind. Eng. Chem. Res., vol. 63, no. 6, pp. 2519–2533, 2024.
[24]         Y. Cui, W. Zhong, X. Liu, and J. Xiang, “Study on scale-up characteristics in supercritical CO2 circulating fluidized bed boiler by 3D CFD simulation,” Powder Technol., vol. 394, pp. 103–119, 2021.
[25]         R. Chaiyo, J. Wongwiwat, and Y. Sukjai, “Numerical and Experimental Investigation on Combustion Characteristics and Pollutant Emissions of Pulverized Coal and Biomass Co-Firing in a 500 kW Burner,” Fuels, vol. 6, no. 1, p. 9, 2025.
[26]         J. M. Beer, “Combustion technology developments in power generation in response to environmental challenges,” Prog. Energy Combust. Sci., vol. 26, no. 4–6, pp. 301–327, 2000.
[27]         M. Richter, J. Ströhle, and B. Epple, "Up-scaling of a laboratory-scale pulverised oxyfuel burner to semi-industrial-scale through a flow similarity approach, " Fuel, vol. 371, p. 131809, 2024.
[28]         G. Zhao, Ch. Zhao, F. Li, G. Ma, M. Liu, Y. Yang, H. Wang, and M. Sun,. “On scale effect of supersonic combustion in axisymmetric combustor, "Aerosp. Sci. Technol., vol. 155, p. 109566, 2024.
[29]         D. McCormick, L. S. Hultgren, and J. M. Mendoza, "Impact of future low-emissions combustor technology on acoustic scaling laws,” J. Propuls. Power, vol. 40, no. 6, pp. 806–817, 2024.
[30]         J. Berger, “Scaling of an aviation hydrogen micromix injector design for industrial GT combustion applications,” Aerotec. Missili Spaz., vol. 100, no. 3, pp. 239–251, 2021.
[31]         W. Xie, T. Shi, B. Ge, and S. Zang, “Numerical study on similarity performance of geometric scaling of lean premixed swirl combustor,” Phys. Fluids, vol. 35, no. 9, 2023.
[32]         B. K. Dutta, Heat transfer: principles and applications. PHI Learning Pvt. Ltd., 2023.
[33]         G. G. Szegö, B. B. Dally, G. J. Nathan, and F. Christo, “Performance characteristics of a 20kW MILD combustion furnace,” 2007.
[34]         G. Khabbazian, J. Aminian, and R. H. Khoshkhoo, “Experimental and numerical investigation of MILD combustion in a pilot-scale water heater,” Energy, vol. 239, p. 121888, 2022.
[35]         S. Xu, Y. Tu, P. Huang, C. Luan, Z. Wang, B. Shi, H. Liu, and Z. Liu,. “Effects of wall temperature on methane MILD combustion and heat transfer behaviors with non-preheated air,” Appl. Therm. Eng., vol. 174, p. 115282, 2020.
[36]         Q. Cazeres, P. Pepiot, E. Riber, and B. Cuenot, "A fully automatic procedure for the analytical reduction of chemical kinetics mechanisms for computational fluid dynamics applications," Fuel, vol. 303, p. 121247, 2021.
[37]         P. J. Roache, “Perspective: a method for uniform reporting of grid refinement studies,” 1994.
[38]         A. Cavaliere and M. De Joannon, “Mild combustion,” Prog. Energy Combust. Sci., vol. 30, no. 4, pp. 329–366, 2004.
[39]         S. Kumar, P. J. Paul, and H. S. Mukunda, “Studies on a new high-intensity low-emission burner,” Proc. Combust. Inst., vol. 29, no. 1, pp. 1131–1137, 2002.
[40]         A. Ortolani, J. Yeadon, B. Ruane, M. C. Paul, and M. S. Campobasso, “Numerical and experimental analysis of the formation of nitrogen oxides in a non-premixed industrial gas burner,” Results Eng., vol. 23, p. 102392, 2024.
[41]         D. B. Proud, M. J. Evans, Q. N. Chan, and P. R. Medwell, "Characteristics of turbulent flames in a confined and pressurised jet-in-hot-coflow combustor," J. Energy Inst., vol. 105, pp. 103–113, 2022.
[42]         J. A. Wünning and J. G. Wünning, "Flameless oxidation to reduce thermal NO-formation," Prog. energy Combust. Sci., vol. 23, no. 1, pp. 81–94, 1997.
[43]         M. Yan, J. Wang, D. Hantoko, and E. Kanchanatip, “Numerical investigation of MSW combustion influenced by air preheating in a full-scale moving grate incinerator,” Fuel, vol. 285, p. 119193, 2021.
[44]         A. Bejan, "Advanced engineering thermodynamics". John Wiley & Sons, 2016.
[45]         R. Hassan, H. Barua, and B. K. Das, "Energy, exergy, exergo‐environmental, and exergetic sustainability analyses of a gas engine‐based CHP system," Energy Sci. Eng., vol. 9, no. 12, pp. 2232–2251, 2021.
[46]         L. Zhou, Jianwei. Hang, Ling. Bai, Zbigniew. Krzemianowski, Mahmoud A. El-Emam, Eman. Yasser, and Ramesh. Agarwal, "Application of entropy production theory for energy losses and other investigation in pumps and turbines: A review," Appl. Energy, vol. 318, p. 119211, 2022.