Premixed Syngas Combustion: Modeling and Application to a Swirl-Stabilized Combustor

Abstract

أدت اللوائح الصارمة للحد من انتشار الغازات الضارة والملوثة للبيئة مثل أكاسيد النيتروجين، الى البحث عن بدائل للغاز الطبيعي في انتاج الطاقة. يعتبر غاز الهيدروجين من أهم الغازات البديلة والصديقة للبيئة لأن بخار الماء هو المنبعث الوحيد عند احتراقه. لذلك، فإن لدى الهيدروجين القدرة على أن يصبح الوقود الأساسي نحو مستقبل خال من التلوث إذا تم التغلب على التحديات التقنية التي تواجه استخدام الهيدروجين، والتي تتعلق بتخزينه ونقله وتكلفة انتاجه. و من البدائل الواعدة أيضاً، الغاز الصناعي والذي يتكون بشكل رئيسي من خليط غازي الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. الاحتراق المختلط للغاز الصناعي منخفض نسبة التكافؤ (نسبة تكافؤ الوقود للهواء) يعتبر من التقنيات الواعدة التي تزيد كفاءة الاحتراق وتقلل من انبعاثات الغازات الضارة. درست هذه الرسالة خواص الاحتراق المختلط للغاز الصناعي منخفض نسبة التكافؤ عن طريق استخدام وسائل المحاكاة الرياضية. حيث تم محاكاة اللهب المختلط الرقائقي للغاز الصناعي لفهم خصائصه الاساسية والتي تشمل درجة حرارة اللهب القصوى، وسرعة اللهب الرقائقية، وانبعاثات اكسيد النيتروجين عن طريق حل المعادلات الصفرية والاحادية الابعاد باستخدام نموذج كيميائي معقد (الية GRI 3.0). كما أكدت على أهمية اليات تفاعل الغاز الصناعي وذلك بعد دراسة بعض نماذجه الكيميائية البسيطة المتوفرة ومدى دقتها في تحديد خصائصه الاساسية. اخيراً, تم اجراء محاكاة الاحتراق المختلط للغاز الصناعي منخفض نسبة التكافؤ في غرفة احتراق ثابتة الدوامة باستخدام ديناميكية الموائع الحسابية (CFD) لدراسة تأثير كلاً من: درجة قوة الدوامة، مقدار كمية الهيدروجين في الغاز الصناعي، ونسبة تكافؤ الوقود للهواء على خواص اللهب والانبعاثات. وقد لوحظ أن درجة حرارة اللهب القصوى تزيد بازدياد نسبة التكافؤ وارتفاع كلا من ضغط التشغيل ودرجة حرارة الخليط، وتقل بازدياد كمية الهيدروجين في الغاز الصناعي. أما سرعة اللهب الرقائقية تزيد بازدياد كلا من نسبة التكافؤ وكمية الهيدروجين وارتفاع درجة حرارة الخليط، وتقل بارتفاع ضغط التشغيل. كما ان انبعاثات اكسيد النيتروجين تزيد بارتفاع درجة حرارة الخليط وارتفاع ضغط التشغيل مع ازدياد نسبة التكافؤ، وتقل بازدياد كمية الهيدروجين في الغاز الصناعي وارتفاع ضغط التشغيل مع انخفاض نسبة التكافؤ. وبمقارنة نتائج اليات التفاعل البسيطة مع الية التفاعل المعقدة GRI 3.0 يتضح أن هناك بون شاسع وهو ما يدعو إلى تطوير نماذج كيميائية بسيطة قادرة على تحديد خصائص احتراق الغاز الصناعي بشكل دقيق خاصة عند درجات حرارة مرتفعة للخليط وضغط تشغيل مرتفع. كما ان هناك نقص في التجارب المعملية لسرعة اللهب الرقائقية باستخدام الهواء كمؤكسد عند ضغط تشغيل مرتفع، والتي ستساعد في معرفة مدى دقة النماذج المطورة. كما تبين ان الشكل الهندسي لغرفة الاحتراق ذات الدوامة المستقرة له تأثير بالغ على خصائص اللهب المختلفة. وأن اختلاف اليات الاستقرار بسبب اعادة تدوير الغازات الحارة داخل غرفة الإحتراق تؤدي الى تباين درجات حرارة اللهب. و أن ارتفاع درجة قوة الدوامة يؤدي الى تقصير ألسنة اللهب وزيادة الوقت اللازم لبقاء الغازات الحارة داخل غرفة الاحتراق و كل ذلك يساعد على تقليل انبعاثات اول اكسيد الكربون. من ناحية اخرى، وجد أن قابلية الهيدروجين للاحتراق تزيد من حرارة اللهب ومستويات اكسيد النيتروجين. و ان لنسبة التكافؤ تأثير جوهري على درجة الحرارة والانبعاثات. حيث أن المستويات الغير مرغوب بها من غاز اكسيد النيتروجين أو غاز اول اكسيد الكربون تكون عند نسبة تكافؤ أعلى من 0.6 لغاز اكسيد النيتروجين، و اقل من 0.6 لغاز اول اكسيد الكربون.