بررسی تاثیر فیزیکی و شیمیایی تزریق دی‌اکسیدکربن با مقادیر پیش‌گرمایش مختلف در احتراق بدون شعله

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشگاه تربیت مدرس- دانشکده مهندسی مکانیک

چکیده

هدف از مطالعه حاضر شبیه‌سازی عددی مشعل بدون شعله همراه با تزریق دیاکسید کربن درون جریان اکسید کننده با استفاده از نرم افزار متن باز اپن‌فوم است. همچنین اثر مقادیر مختلف دمای پیشگرمایش اکسیدکننده در آن مورد مطالعه قرار گرفته است. به‌منظور انجام شبیه‌سازیها از مدل احتراقی پی.آ.اِس.آر، مدل آشفتگی کا-اپسیلون استاندارد با ضرایب اصلاح شده و همچنین مدل تشعشعی فاز گسسته همراه با محاسبه ضرایب جذب و گسیل با استفاده از مدل دبلیو.اِس.جی.جی.اِم با ضرایب گاز غیرخاکستری استفاده شده است. نتایج بدست آمده از مطالعه حاضر نشان‌دهنده آن است که اثرات فیزیکی ناشی از تزریق دیاکسید کربن منجر به کاهش میزان آزادسازی حرارت و میزان کربن مونوکسید تولید شده می‌گردد در حالی‌که اثرات شیمیایی این تزریق منجر به افزایش قابل توجهی در این مقادیر می‌شود. افزایش میزان کسر جرمی تزریق از0/25 به 0/75 منجر به تغییر بیشینه کسر جرمی مونوکسید کربن تولید شده از0/05 به 0/072 می‌شود. همچنین با افزایش دمای اکسیدکننده بر تاثیر شیمیایی تزریق بر روی ساختار شعله و انتشار آلاینده مونوکسید کربن افزوده می‌شود. همچنین تاثیر شیمیایی تزریق دیاکسید کربن بر روی تولید آلاینده ناکس به صورتی است که با افزایش دما منجر به افزایش میزان ناکس منتشر شده می‌شود.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Chemical and Physical Effects of Carbon Dioxide Injection with Different Preheating Temperature in Flameless Combustion

نویسندگان [English]

  • Esmaeil Ebrahimi Fordoei 1
  • Kiumars Mazaheri 2
1 PHD Student in Tarbiat Modares University
2 Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

The purpose of the present study is the numerical simulation of the flameless burner with carbon dioxide injection into the oxidizer stream using OpenFOAM software. Also, the effect of different amounts of oxidizer preheating temperature has been studied. In order to perform simulations from the partially stirred reactor combustion model, the standard k-ε turbulence model with modified coefficients and discrete phase radiation model with the calculation of adsorption and emission coefficients using weighted sum of gray gases mode model with non-gray gas coefficients have been used. The results of the present study indicate that the physical effects of carbon dioxide degradation will reduce the amount of heat release and the amount of carbon monoxide produced, while the chemical effects of this injection result in a significant increase in these amounts. Increasing the mass fraction of injection from 0.25 to 0.75 leads to a change in the maximum mass fraction of carbon monoxide produced from 0.05 to 0.072. Also, the chemical effect of the injection changes the flame structure and increased carbon monoxide emissions by increasing the preheating temperature. The chemical effect of carbon dioxide injection on the production of NOx pollutants is such that, with increasing temperature, the amount of NOx emission is increased.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flameless Combustion
  • Physical and Chemical Effect
  • Carbon Dioxide Injection
  • Flame Structure
  • Pollution Distribution
[1] G.G. Szego, Experimental and numerical investigation of a parallel jet MILD combustion burner system in a laboratory-scale furnace, 2010.
[2]  P. Li, J. Mi, B. Dally, F. Wang, L. Wang, Z. Liu, S. Chen, C. Zheng, Progress and recent trend in MILD combustion, Science China Technological Sciences, 54(2) (2011) 255-269.
[3]    H. Tsuji, A.K. Gupta, T. Hasegawa, M. Katsuki, K. Kishimoto, M. Morita, High temperature air combustion: from energy conservation to pollution reduction, CRC press, 2002.
[4]  A. Cavaliere, M. de Joannon, Mild combustion, Progress in Energy and Combustion science, 30(4) (2004) 329-366.
[5]    G. Szegö, B. Dally, G. Nathan, Operational characteristics of a parallel jet MILD combustion burner system, Combustion and Flame, 156(2) (2009) 429-438.
[6] M.M. Maroto-Valer, Developments and Innovation  in Carbon Dioxide (CO2) Capture and Storage Technology: Carbon Dioxide (CO2) Storage and Utilisation, Elsevier, 2010.
[7] Y. Tu, K. Su, H. Liu, S. Chen, Z. Liu, C. Zheng, Physical and chemical effects of CO2 addition on
CH4/H2 flames on a Jet in Hot Coflow (JHC) burner, Energy & Fuels, 30(2) (2016) 1390-1399.
[8] Y. Tu, H. Liu, W. Yang, Flame Characteristics of CH4/ H2 on a Jet-in-Hot-Coflow Burner Diluted by N2, CO2, and H2O, Energy & Fuels, 31(3) (2017) 3270- 3280.
[9]  L. Wang, Z. Liu, S. Chen, C. Zheng, J. Li, Physical and chemical effects of CO2 and H2O additives on counterflow diffusion flame burning methane, Energy & fuels, 27(12) (2013) 7602-7611.
[10]   S. Chen, H. Liu, C. Zheng, Methane combustion   in MILD oxyfuel regime: Influences of dilution atmosphere in co-flow configuration, Energy, 121 (2017) 159-175.
[11]   Z. Mei, J. Mi, F. Wang, C. Zheng, Dimensions of CH4-jet flame in hot O2/CO2 coflow, Energy & Fuels, 26(6) (2012) 3257-3266.
[12]  J. Park, J.S. Park, H.P. Kim, J.S. Kim, S.C. Kim, J.G. Choi, H.C. Cho, K.W. Cho, H.S. Park, NO emission behavior in oxy-fuel combustion recirculated with carbon dioxide, Energy & fuels, 21(1) (2007) 121- 129.
[13] N. Gascoin, Q. Yang, K. Chetehouna, Thermal effects of CO 2 on the NO x formation behavior in the CH 4 diffusion combustion system, Applied Thermal Engineering, 110 (2017) 144-149.
[14] Y. Song, C. Zou, Y. He, C. Zheng, The chemical mechanism of the effect of CO 2 on the temperature
in methane oxy-fuel combustion, International Journal of Heat and Mass Transfer, 86 (2015) 622-628.
[15]  F.C. Christo, B.B. Dally, Modeling turbulent reacting jets issuing into a hot and diluted coflow, Combustion and flame, 142(1-2) (2005) 117-129.
[16]    B.B. Dally, A. Karpetis, R. Barlow, Structure of turbulent non-premixed jet flames in a diluted hot coflow, Proceedings of the combustion institute, 29(1) (2002) 1147-1154.
[17]   J. Mi, P. Li, B.B. Dally, 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, 23(11) (2009) 5349-5356.
[18] A. Mardani, S. Tabejamaat, M. Ghamari, Numerical study of influence of molecular diffusion in  the  Mild combustion regime, Combustion Theory and Modelling, 14(5) (2010) 747-774.
[19] P. Cumber, M. Fairweather, H. Ledin, Application of wide band radiation models to non-homogeneous combustion systems, International Journal of Heat and Mass Transfer, 41(11) (1998) 1573-1584.
[20] C. Bowman, R. Hanson, W. Gardiner, V. Lissianski, M. Frenklach, M. Goldenberg, G. Smith, GRI-Mech 2. 11: An Optimized Detailed Chemical Reaction Mechanism for Methane Combustion and NO Formation and Reburning, NASA, (19980005146) (1997).