مطالعه­ عددی شعله­ نفوذی جریان مخالف گاز طبیعی با رقیق­­ سازی CO2

خادم, جواد; اسدی, علی

مطالعه عددی شعله نفوذی جریان مخالف گاز طبیعی با رقیق سازی CO2

نویسندگان

جواد خادم

علی اسدی

دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه بیرجند، بیرجند،ایران

چکیده

نظر به اینکه گاز طبیعی در بخش اعظم جهان صنعتی به یک منبع انرژی بسیار مهم تبدیل شده ‌است، بررسی ساختار شعله و اثر آلاینده های آن بر محیط زیست امری ضروری و اجتناب ناپذیر است. در این مقاله، احتراق گاز طبیعی که ترکیبی از هیدروکربنهایی مانند CH4C2H6C3H8 و نیز گازهای N2CO2O2 و H2 است، با استفاده از مدل شعله نفوذی جریان مخالف، بررسی شده است. در این تحقیق، منحنی های دما، غلظت گونه ها و ترکیبات NOx با استفاده از حل عددی به دست آمده و اثر رقیق کننده CO2 بر توزیع دما و نرخ تولید گونه ها بررسی شده است. با توجه به تکامل مناسب سازوکار GRI3.0 در مدلسازی احتراق گاز طبیعی، این سازوکار به عنوان سینتیک شیمیایی انتخاب شده است. افزایش رقیق ساز CO2 در سوخت باعث کاهش دمای بیشینه احتراق میشود که این به دلیل کاهش غلظت واکنشدهنده ها و در نتیجه کاهش نرخ واکنش کلی است. رقیق ساز CO2 همچنین بیشینه کسر مولی گونه های آلاینده C2H2 و NO را کاهش میدهد.

تازه های تحقیق

در این تحقیق، مدلسازی شعله جریان مخالف نفوذی برای احتراق گاز طبیعی که ترکیبی از گازهای مختلف است با درصدهای مختلف رقیقسازی با CO₂ انجام شد. شبیهسازیها برای چهار شعله، که مشخصات آنها در جدول 1 آمده است، اجرا شده است.

استفاده از رقیقساز نقشی مهم در کاهش کسر مولی C₂H₂، که یک پیشماده مهم در تشکیل دوده است و NO که یک آلاینده زیستمحیطی به شمار میرود، ایفا میکند. به علاوه، استفاده از رقیقساز باعث کاهش دمای شعله بیدررو میشود. با افزایش رقیقساز، غلظت واکنشدهندهها کاهش یافته و بنابراین نرخ واکنشها و در نتیجه نرخ واکنش کلی کاهش مییابد که این کاهش نرخ واکنش به کاهش بیشینه دما منجر میشود.

به طور کلی اثر افزیش رقیقساز از دو جهت قابل بررسی است.

1. اثر رقیقکنندگی: CO₂ اضافهشده غلظتهای واکنشدهندهها را کاهش میدهد. با کاهش غلظت واکنشدهندهها، نرخ واکنش کلی کاهش مییابد. این اثر در کاهش بیشینه دما، که در بخش نتایج ارائه شد، نمود پیدا میکند.

2. اثر شیمیایی: CO₂ از نظر کلی یک عنصر خنثی نیست و در دماهای بالا به CO تبدیل میشود. واکنشهای مرتبط با CO قابل چشمپوشی نیست. اثر شیمیایی رقیقساز در ناحیه واکنش ظاهر میشود. این اثر دلیل افزایش حدود اشتعالپذیری به وسیله CO₂ است.

کلیدواژه‌ها

شعله نفوذی

جریان مخالف

احتراق گاز طبیعی

رقیق سازی

شبیه سازی

عنوان مقاله English

Numerical Study on Counterflow Diffusion Flames of Natural Gas with CO₂ Dilution

نویسندگان English

Javad Khadem

Ali Asadi

Faculty of Mechanical Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran

چکیده English

Since natural gas has become a very important energy source in most parts of the industrialize world, it is necessary to study the flame structure and the effect of its exhausts on the environment. In this paper, the combustion of natural gas, which is a combination of different hydrocarbons such as CH₄, C₂H₆, and C₃H₈, and gasses like N₂, CO₂, and O₂ and H₂has been investigated using the counterflow diffusion flame model. In this research, the profiles of temperature, species concentration, and NOx mixtures are determined using numerical solution and the CO₂ diluent effect on temperature distribution and rate of species production are investigated. GRI3.0 mechanism is selected as the chemical kinetic in modeling natural gas combustion. Increasing the CO₂ diluent in the fuel causes a reduction in the peak combustion temperature, which is caused by decreased concentration of reactants and consequently reduction in the general reaction rate. It also reduces the peak of mole fraction species of C₂H₂ and NO.

کلیدواژه‌ها English

Diffusion flame

Counterflow

Natural gas combustion

Dilution

Simulation

1. S. P. Burk and T. E. W. Schuman, “Diffusion flames,” Induster. Engng Chem., 20, No. 10, 1928, p. 998.

2. K. Wohl, C. Gazley and N. Kapp, “Diffusion flames,” Third Symposium (International) on Combustion, Williams and Wilkins, Baltimore, 1949, p. 288.

3. H. C. Hottel and W. R. Hawthorne, “Diffusion in Laminar Flame Jets,” Third Symposium (International) on Combustion, Williams and Wilkins, Baltimore, 1949, p. 254.

4. J. A. Fay, “The Distributions of Concentration and Temperature in a Laminar Jet Diffusion Flame,” J. Aeronaut. Sci., 21, 1954, pp. 681-689.

5. J. Suh and A. Atreya, “The Effect of Water Vapor on Coynterflow Diffusion Flames,” Proc. 3rd International Conference on Fire Research and Engineering (ICFRE), Orlando, September 10-15, 1995.

6. X. L. Zheng, J. D. Blouch, D. L. Zhu, T. G. Kreutz and C. K. Law, “Ignition of Premixed Hydrogen/Air by Heated Counter Flow,” Proceedings of the Combustion Institute, 29, 2002, pp. 1637-1643.

7. S. Jahangirian, A. Engeda and I. S. Wichman, “Thermal and Chemical Structure of Biogas Counterflow Diffusion Flames,” Energy Fuels, 23, 2009, pp. 5312-5321.

8. R. J. Kee, J. A. Miller, G. H. Evans and G. Dixon-Lewis, “A Computational Model of the Structure and Extinction of Strained, Opposed Flow, Premixed Methan-Air Flames,” Twenty Second Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, 1988, pp. 1479-1494.

9. K. Seshadri and F. A. Williams, “Laminar Flow between Parallel Plates with Injection of a Reactant at High Reynolds Number,” Int. J. Heat Mass Transfer, 21, 1978, pp. 251-253.

10. A. E. Lutz, R. I. Kee, J. F. Grcar and F. M. Rupley, “OPPDIF: A Fortran Program for Computing Opposed-Flow Diffusion Flames,” Sandia National Laboratories Report SAND96-8243, 1997.

11. Y. H. Ho and K. M. Isaac, “Analysis of Opposed Jet Hydrogen-Air Counter Flow Diffusion Flame,” Technical Memorandum Mae-TM-25, Prepared Under NASA Langley Research Center Grant NAG-1-861, 1989.

12. G. L. Pellett, G. B. Northam, R. Guerra and L. G. Wilson, “Opposed jet burner studies of Silane-Methane, Silane-Hydrogen, and Hydrogen diffusion flames with air,” Preceding Chemical Propulsion Information Agency (CPIA) Publication 457, 1, 1986, pp. 391-404.

http://www.me.berkeley.edu/gri-mech/