سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

اندازه ­گیری آزمایشگاهی اثرافزایش دمای سوخت گاز طبیعی بر درخشندگی شعله و انتشار آلاینده NO در یک دیگ 120 کیلوواتی

نویسندگان
سید محمد جوادی
محمد مقیمان
دانشکده مهندسی، گروه مکانیک،دانشگاه فردوسی مشهد،مشهد،ایران
چکیده
درخشندگی شعله نقش مهمی بر انتقال حرارت تابشی و افزایش بازده دیگ­ها (آب گرم یا بخار) دارد. یکی از روش­های مهم افزایش درخشندگی شعله ­ها افزایش محتوای دوده در شعله است. در این مقاله، اثر پیش­ گرم کردن سوخت گاز طبیعی (به­ عنوان یکی از روش­های افزایش تجزیه حرارتی سوخت) بر افزایش شدت درخشندگی شعله و بازده دیگ مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار گرفته است. مطالعات روی یک دیگ 120 کیلوواتی که گاز ورودی به مشعل آن با گرمکن­ های الکتریکی پیش­گرم می­ شود انجام شده است. برای اندازه ­گیری تابش شعله از دستگاه پیرانومتر و برای اندازه­ گیری دما و گازهای احتراقی از دستگاه Testo350XL استفاده شده است. برای انجام مطالعات، سوخت گاز ورودی تا دمای 300˚C پیش­ گرم شده است. نتایج نشان می­ دهد افزایش دمای سوخت ورودی تا دمای حدود 240˚C تاثیر چشمگیری بر درخشندگی ندارد، اما در دماهای بالای 240˚C، به علت افزایش تجزیه گاز و آزادشدن مولکو­­ل­های کربن، درخشندگی شعله به ­شدت افزایش می­ یابد. نتایج اندازه­ گیری نشان می ­دهد با افزایش دمای سوخت ورودی از 240˚C تا 300˚C شدت تابش درخشندگی 60 درصد افزایش می­ یابد که این موجب کاهش 10 درصدی در دمای بیشینه شعله و کاهش 7 درصدی در انتشار آلاینده NO می ­شود. نتایج به ­دست ­آمده با نتایج دیگر محققان در پیش ­گرم کردن سوخت توافق مطلوبی را نشان می­ دهد.

تازه های تحقیق

در این مقاله، اثر پیش­گرم کردن گاز طبیعی بر درخشندگی و دمای شعله، انتقال حرارت تابشی و درنتیجه بازده یک دیگ 120 کیلوواتی مطالعه شده است. نتایج محققان مختلف نشان می­دهد عامل اصلی درخشندگی شعله حضور و احتراق ذرات جامد دوده داخل شعله است. با توجه به اینکه تجزیه حرارتی سوخت یکی از سازوکارهای مهم تولید دوده در شعله است و با افزایش دما نرخ تجزیه به­شدت افزایش می­یابد، لذا افزایش دمای گاز می­تواند روشی مناسب برای تولید شعله­های درخشان در احتراق گاز طبیعی باشد. بر اساس نتایج ارائه­شده در این مقاله می­توان گفت:

- برای ایجاد درخشندگی در شعله گاز طبیعی به روش پیشگرم­کردن سوخت، لازم است گاز ورودی بیش از C°240  پیش­گرم شود.

- پیش­گرم کردن سوخت ورودی تا دمای بیش از C°240، به دلیل افزایش سهم تابش درخشانی، سبب افزایش 20 درصدی بازده دیگ شد.

- افزایش تابش درخشانی در اثر پیش­گرم کردن سوخت ورودی دمای بیشینه شعله را C°150 کاهش داد.

- پیش­گرم کردن سوخت تا دمای بیش از C°240، به دلیل کاهش دمای شعله، مقدار آلاینده NO را نیز به مقدار چشمگیری کاهش می­دهد.

- از نظر افزایش درخشندگی شعله و بهبود انتقال حرارت تابشی، روش پیش­گرم کردن سوخت به دلیل نیاز به انرژی گرمایی بسیار کمتر نسبت به روش پیش­گرم کردن هوا ارجحیت دارد.

کلیدواژه‌ها
پیش­ گرمایش سوخت
درخشندگی شعله
دمای بیشینه
انتشار اکسید نیتروژن

عنوان مقاله English

Experimental Study of Natural Gas Temperature Effects on the Flame Luminosity and NO Emission in a 120 kW Boiler

نویسندگان English

Seyed Mohammad Javadi
Mohammad Moghiman
Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده English

In gas-fired furnaces, the flame radiation enhancement significantly improves the radiative heat transfer, which in turn reduces flame temperature and NO emission. In this paper, the effect of inlet natural gas preheating on the flame luminosity and overall efficiency in a 120KW boiler are investigated experimentally. Flame radiation is measured by use of laboratory pyranometer with photovoltaic sensor. A Testo350XL gas analyzer is also used for measuring the temperature and combustion species. The experimental measurements show that the effect of increasing inlet gas temperature on flame luminosity is increased abruptly for temperatures over 240°C. This luminosity increase has considerable effects on flame temperature and NO emission reduction and enhances the boiler efficiency. The results also show that increasing the inlet gas temperature from 240°C up to 300◦C increases the flame luminous radiation by 60%. The obtained results are in desirable accordance with finding of other studies regarding fuel preheating.

کلیدواژه‌ها English

Fuel preheating
Flame luminosity
Maximum temperature
NO emission
1.     R. Viskanta and M. P. Mengu, “Radiation Heat Transfer in Combustion Systems,” Progress in Energy and Combustion Science, 13, pp. 97-160, 1987.
2.     E. P. Keramidaa, H. H. Liakosa, M. A. Fountib, A. G. Boudouvisa and N. C. Markatos, “Radiative Heat Transfer in Natural Gas-Fired Furnaces,” Heat and Mass Transfer, 43, pp. 1801-1809, 2000.
3.     A. E. S. Green, B. A. S. Green and J. C. Wagner, “Radiation Enhancement in Oil/Coal Boilers Converted to Nnatural Gas,” United States Patent 5048433, 1990.
4.     L. Xie, T. Kishi and M. Kono, “The Influences of Electric Fields on Soot Formation and Flame Structure of Diffusion Flames,” Thermal Science, 2, pp. 288-293, 1993.
5.     B. K. Mandal, A. Sarkar and A. Datta, “Numerical Prediction of the Soot and NO Formation in a Confined Laminar Diffusion Flame without and with Air Preheat,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: J. Power and Energy, 220, pp. 473-486, 2006.
6.     J. Lim, J. Gore and R. Viskanta, “A Study of the Effects Air Preheat on the Structure of Methane/Air Counterflow Diffusion Flames,” Combustion and flame, 121, pp. 262-274, 2000.
7.     W. B. Kim, D. H. Chung, J. B. Yang, D. S. Noh, “An Experimental Study on High Temperature and Low Oxygen Air Combustion,” Thermal Science, 9, pp. 169-175, 2001.
8.     B. Konsur and C. M. Megaridis, “Fuel Preheat Effects on Soot-Field Structure in Laminar Gas Jet Diffusion Flames Burning in 0-g and 1-g,” Combustion and Flame, 116, pp. 334-347, 1999.
9.     W. Yang and W. Blasiak, “Numerical Study of Fuel Temperature Influence on Single Gas Jet Combustion in Highly Preheated and Oxygen Deficient Air,” Energy, 30, 385-398. 2005.
10.  S. Abanades and G. Flamant, “Experimental Study and Modeling of a High-Temperature Solar Chemical Reactor for Hydrogen Production from Methane Cracking,” Hydrogen energy, 32, pp. 1508-1515, 2007.
11.  A. Atreya, C. Zhang, H. K. Kim, T. Shamim and J. Suh, “The Effect of Changes in the Flame Structure on Formation and Destruction of Soot and NOx in Radiating Diffusion Flames,” The Twenty-Sixth (International) Symposium on Combustion, The Combustion Institue, pp. 2181-2189, 1996.
12.  H. P. Mungekar and A. Atreya, “Flame Radiation and NO Emission in Partially Premixed Flames,” In Proceedings of the 2nd Joint Meeting of the US Sections of the Combustion Institute, 2001.
13.  P. B. Taylor and P. J. Foster, “Some Gray Weighting Coefficients for CO2-H2O-Soot Mixtures,” Heat Transfer, 18, pp. 1331-1332, 1974.
14.  EN 676, “Automatic Forced Draught Burners for Gaseous Fuels,” European Standards, 2003.
15.  Short Operation Instruction Manual (testo 350 M/XL): Rev.11/03 Instrument Software Version 1.30, Testo Inc.,  http://www.testo.com, 2006.
16.  F. Nagamine, R. Shimokawa, Y. Miyake, M. Nakata and K. Fujisawa, “Calibration of Pyranometers for the Photovoltaic Device Field,” Applied Physics, 29, pp. 516-521, 1990.
17.  Y. H. Lia, C. Y. Wub, H. Y. Lia and Y. C. Chao, “Concept and Combustion Characteristics of the High-Luminescence Flame for Thermophotovoltaic Systems,” Proceedings of the Combustion Institute, 33, pp. 3447-3454, 2011.
18.  Y. S. Zhukov, V. K. Karpushin, B. N. Kurochkin, N. A. Fomin, A. P. Klyucherov and V. F. Girisikh, “Preheating the Natural Gas Used to Heat Open-Hearth Furnaces,” Translated from Metallur, 5, pp. 23-24, 1977.
19.  M. Hamdi, H. Ben Ticha and M. Sassi, “NOx Emission from High Temperature Air Versus Methane/Air Counter-Flow Partially Premixed Flame,” IFRF Combustion Journal, Article Number 200403, 2004.