مطالعه اثر پيش گرمايش سوخت گاز طبيعي بر تشكيل دوده، درخشندگي شعله و انتشار NO به روش عددي و آزمايشگاهي

Numerical and experimental study of natural gas preheating effects on the soot formation, flame luminosity and NO emission

در اين مقاله به مطالعه اثر افزايش دماي گاز طبيعي ورودي به يك مشعل kW120، بر تشكيل دوده و افزايش تابش درخشاني ناشي از آن به روش عددي و آزمايشگاهي پرداخته شده است. جهت شبيه سازي اثر دماي گاز ورودي بر احتراق و مدلسازي تشكيل كربن جامد از تجزيه حرارتي گاز، از مدل احتراق آشفته غير پيش آميخته بر اساس دو پارامتر متوسط و واريانس كسر مخلوط و براي مدلسازي ترمهاي تنشهاي توربولاني در معادلات مومنتوم از مدل آشفتگي تنش رينولدز استفاده شده است. همچنين جهت محاسبه دوده، كه نقش مهمي بر ميزان تابش شعله دارد از مدل ماس-بروكس و براي اعمال اثر آشفتگي جريان بر تشكيل دوده از β-PDF استفاده شده است. مطالعات آزمايشگاهي نيز بر روي يك بويلر كه گاز ورودي به مشعل آن با المنت حرارتي كروم-نيكل پيش‌گرم مي‌شود، انجام شده است. نتايج نشان مي‌دهد با توجه به عدم افزايش محتوي دوده شعله با افزايش دماي سوخت ورودي تا دماي K510، درخشندگي شعله تغيير چنداني نكرده است، اما با افزايش دما تا K700 به دليل 3 برابر شدن بيشينه كسر جرمي دوده در شعله، درخشندگي شعله افزايش زيادي‌مي‌يابد. اين افزايش درخشندگي، سبب كاهش دماي شعله به اندازه K150، و كاهش انتشار NO شده است. نتايج عددي و آزمايشگاهي در پيشگرم كردن سوخت توافق مطلوبي را نشان‌مي-دهند.

In this paper, the effect of inlet gas temperature on the soot content, flame temperature and overall efficiency of a 120 kW boiler have been investigated. For modeling the impact of inlet gas temperature on combustion and soot production, a non-premixed turbulent model was employed. Besides, using the Reynolds turbulent stress model, stress terms in momentum equations were solved. Also, Moss-Brooks model and a beta probability density function (β-PDF) is used to describe the effect of turbulencies on soot formation. Moreover, experiments were conducted on a boiler which its inlet gas temperature is preheated with a Chrome-Nickel electric heater. The results demonstrate that the preheating of natural gas up to about 510 K has no considerable effect on the flame luminosity. Otherwise, preheating the inlet fuel up to 700 K increases the flame soot content up to 3 times resulting in a serious luminosity rise. This increase causes a reduction in flame temperature (150K) and NO emission. It is seen that the predicted results have good agreement with measurements.