بررسی آزمایشگاهی تأثیر رقیق‌سازی و چرخش هوا بر تشکیل آلاینده NOx در شعله پیش‌آمیخته پروپان - هوا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد

2 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، بخش توسعه و تحقیق، کارخانه دیزل سنگین ایران )دسا(

3 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه علمی کاربردی فذا

4 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد

چکیده

واکنش تشکیل NO حرارتی بشدت به دما حساس است و اگر روشی موجب کاهش دمای شعله شود عاملی مؤثر جهت کاهش این آلاینده به حساب می‌آید. رقیق‌سازی سوخت و همچنین ایجاد جریان چرخشی از روش‌های مؤثر در کاهش دمای محفظه‌احتراق محسوب می‌شوند که کاهش تولید NO حرارتی را در پی دارند. در تحقیق حاضر، هدف مطالعه آزمایشگاهی تأثیر رقیق‌سازی و چرخش هوا بر‌ تشکیل آلاینده‌ NOx در شعله‌ چرخشی پیش‌آمیخته پروپان- هوا در محفظه‌احتراق است. نتایج آزمایشگاهی با ساخت کوره‌ای با محفظه‌احتراق استوانه‌ای و دارای تقارن محوری بدست آمده است. به منظور ایجاد جریان چرخشی نیز از چرخنده‌ای با هندسه خاص که زاویه آن 45 درجه و عدد چرخش متناظر با آن 7/0 می‌باشد، استفاده شده است. آزمایشات بر روی محدوده نسبت‌های هم‌ارزی (3/1- 7/0) و دامنه نسبت‌های رقیق‌سازی (0/2-0/0) صورت گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهند که، با افزایش نسبت رقیق‌سازی دمای شعله و در نتیجه انتشار آلاینده‌ NOx از محفظه‌احتراق کاهش می‌یابد. بعلاوه نتایج بیانگر این حقیقت می‌باشند که چرخنده موجب اختلاط بهتر سوخت، هوا و رقیق‌کننده شده و همچنین سبب می‌شود مقداری از محصولات احتراق که در ابتدای شعله شکل گرفته بازگردانده و مجدداً وارد ناحیه واکنش با هیدروکربن‌ها شود. از آنجا که گونه‌های موجود دارای ظرفیت‌حرارتی بالایی می‌باشند، حرارت ناشی از احتراق را جذب کرده و مجموع این عوامل سبب کاهش آلاینده NOx می‌شوند. نتایج آزمایشگاهی با نتایج دیگر محققان مقایسه شده و روند قابل قبولی را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation on the Effect of Dilution and Air Stream Swirl on the NOx Emission in Premixed C3H8-Air Flame

نویسندگان [English]

  • mohammad mahmoodi arya 1
  • afshin fahimi rad 2
  • peyman bazyar 3
  • hamid momahedi heavi 4
چکیده [English]

The reaction of thermal NO is highly sensitive to temperature and if a technique can reduce the flame temperature, it would be effective to reduce NOx formation. The dilution of the fuel and also producing swirling flows can reduce the flame temperature and as a result, decrease the rate of NOx formation. In the present study, the effect of dilution and the swirling flow on NOx emission in the premixed propane-air mixture is investigated experimentally. The experiments were carried out in an axially symmetric cylindrical furnace for an equivalence ratio of 0.7 to 1.3 and (0.0-1.0) dilution ratios. The swirling is achieved by a swirler with 45-degree angle corresponding to the swirl number of 0.7. The results show that by increasing the dilution ratio, the flame temperature and as the result, the NOx emissions are decreased. The results also reveal that the swirler causes better mixing of the fuel, air and the diluents and parts of combustion products are return to the reaction zone and since the present species have high heat capacities, they absorb the heat of combustion, which in turn decreases the temperature of the furnace and consequently decreases the NOx emissions. The experimental results are in a good agreement with the results reported by other researchers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dilution
  • Premixed
  • Equivalence ratio
  • Dilution ratio
  • Swirling number
  • NOx
[1] Zink, J., “Ultra Low NOx Burners for Industrial Process Heater”, 2nd International Conference on
Combustion Technology for A Clean Environment,Lisbon, 1993.
[2] Schefer, R. W., Wicksall, D. M. and Aggarwal, S.K., “Combustion of Hydrogen-Enriched Methane
in A Lean Premixed Swirl Stabilized Burner”,Proceedings of The 29th Symposium (International)
on Combustion, pp. 843- 851, 2002.
[3] Hill, S. C. and Smoot, L. D., “Modeling of Nitrogen Oxides Formation and Destruction in Combustion
System”, Progress in Energy Combustion Science,Vol. 26, pp. 417- 458, 2000.
[4] Zeldovich, Y. B., and Sadovnikov, P. Y., “Oxidation of Nitrogen in Combustion”, Science Academy of USSR,
1947.
[5] Warnats, J., Mass, U., and Dibble, R. W.,COMBUSTION, Springer, 2000.
[6] Lazic, L., Varga, M. A., and Kizek, J., “An Experimental Study of the Influence of FGR on NOx Formation”,
ISSN 1580- 2949, Material in Technology, Vol. 38,2004.
[7] Littlejohn, D., Majeski, A. J., Shaheen, T., and Castaldini, C., “Laboratory Investigation of an Ultralow NOx Premixed Combustion Concept for Industrial Boilers”, Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 29, pp. 1115- 1121, 2002.
[8] Weiping, Y., and Zhang, J., “Simulation of Methane Turbulent Swirling Flame in the TECFLAM Combustor”, Applied Mathematical Modeling, Vol.33, pp. 2818- 2830, 2009.
[9] Qing, S., and Zhang, J., “Simulation of Gas-Particle Turbulent Combustion in A Pulverized Coal-Fired
Swirl Combustor”, Fuel, Vol. 88, pp. 31- 39, 2009.
[10] Ren, J. Y., Qin, W., Egolfopoulos, F. N., and Tsotsis, T. T., “Strain-Rate Effects on Hydrogen-Enhanced
Lean Premixed Combustion”, Combustion and Flame,Vol. 124, pp. 717- 720, 2001.
[11] Rortveit, G. J., Zepter, K, Skreiberg, O., Fossum, M., and Hustad, J. E., “A Comparison of Low NOx
Burners for Combustion of Methane and Hydrogen Mixtures”, Proceedings of the Combustion Institute,
Vol. 29, pp. 1123- 1129, 2002.
[12] Ghoniem, A. F., Annaswamy, A., Park, S., and Sobhani, Z. C., “Stability and Emissions Control Using Air Injection and H2 Addition in Premixed Combustion”, Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 30, No. 2, pp. 1765- 1773, 2005.
[13] Kim, H. K., and Kim, Y., “NO Reduction in 0.03-0.2 MW Oxy-Fuel Combustor Using Flue Gas Recirculation Technology”, Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 31, pp. 3377- 3387, 2007.
[14] Cho, E.S., and Chung, S.H., “Characteristics of NOx Emission with Flue Gas Dilution in Air and Fuel
Sides”, KSME International Journal, Vol. 18, No. 12,pp. 2303- 2309, 2004.
[15] Bell, S. R., and Gupta, M., “Extension of the Lean Operating Limit for Natural Gas Fueling of A Spark Ignited Engine Using Hydrogen Blending”,Combustion Science and Technology, Vol. 123, pp.23- 48, 1997.
[16] Syred, N., and Beer, J. M., “Combustion in Swirling Flows: A Review”, Combustion and Flame, Vol. 23,pp. 143- 201, 1974.
[17] Gupta, A. K., Lilley, D. G., and Syred, N., Swirl Flows, Abacus Press, Tunbridge Wells, England, 1984.
[18] Chao, Y. C., Wu, D. C., Hsu, H. W., and Yuan, T.,“Effects of Partial Premixing on Pollutant Emissions in
Swirling Methane Jet Flames Institute of Aeronautics and Astronautics”, National Cheng Kung University,
Tainan, Taiwan 701, ROC, 2001.
[19] Aldo Coghe, Solero, G., and Scribano, G.,“Recirculation Phenomena in A Natural Gas Swirl Combustor”, Experimental Thermal and Fluid Science,Vol. 28, pp. 709- 714, 2004.
[20] Dally, B. B., Riesmeier, E., and Peters, N., “Effect of Fuel Mixture on Moderate and Intense Low Oxygen
Dilution Combustion”, Combustion and Flame, Vol.137, pp. 418- 431, 2004.
[21] Salvador, S., Kara, Y., and Commandre´, J.M., “Reduction of NO Emissions from A VOC Recuperative Incinerator by Dilution of the Fuel Supply”, Applied Thermal Engineering, Vol. 24, pp.245- 254, 2004.
[22] Cho, E. S., and Chung, S.H., “Numerical Study on NO Emission with Flue Gas Dilution in Air and Fuel
Sides”, Journal of Mechanical Science and Technology (KSME International Journal), Vol. 19, No. 6, pp.
1358- 1365, 2005.
[23] Kumar, P., and Mishra, D.P., “Characterization of Bluff-Body Stabilized LPG Jet Diffusion Flame with
N2 Dilution”, Energy Conversion and Management, Vol. 49, pp. 2698- 2703, 2008.
[24] Park, J., Bae, D. S., Cha, M. S., Yun, J. H., Keel,S. I., Cho, H. C., Kim, T. K., and Ha, J. S., “Flame
Characteristics in H2/CO Synthetic Gas Diffusion Flames Diluted with CO2: Effects of Radiative Heat Loss and Mixture Composition”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, pp. 7256- 7264, 2008.
[25] Kwark, J. H., Jeong, Y. K., Jeon C. H., and Chang, Y. J., “Effect of Swirl Intensity on the Flow and Combustion of a Turbulent Non-Premixed Flat Flame”, Flow, Turbulence and Combustion, Vol. 73,pp. 231- 257, 2004.
[26] Fackler K. B., Karalus M. F., Novosselov I. V.,Kramlich J. C., and Malte P. C., “Experimental and numerical study of NOx formation from the lean premixed combustion of CH4 mixed with CO2 and N2”,Journal of Engineering for Gas Turbines and power,Vol. 133, 2011.
[27] Knyazkov D. A., Shmakov A. G., Dyakov I.,Korobeinichev O. P., De Ruyck J., and Konnov A.A., “Formation and Destruction of Nitric Oxide in Methane Flames Doped With NO at Atmospheric Pressure”, Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 32, pp. 327- 334, 2009.
[28] Littlejohn, D., and Cheng, R.K., “Fuel Effects on A Low Swirl Injection for Lean Premixed Gas Turbines”,
Proceedings on the Combustion Institute, Vol. 31, pp.3155- 3162, 2007.