بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
آنالیز کاهش تولید NO در محفظه احتراق با سوخت گازی به کمک پاشش آب
چکیده
امروزه، تلاش های زیادی در جهت کاهش نشر N0 توربین های گازی صورت می گیرد. نشر AC به شدت به دمای شعله بستگی دارد. تزریق آب یا بخار دمای پیک را کاهش میدهد و به دنبال آن نشر ,NO هم کم میشود. در این مقاله، بعد از مدل سازی محفظه احتراقی موردنظر، بخار با نسبت های بخار به سوخت ۵ را به محفظه پاشیده شده تا تر آن روی کاهش نشر VG بررسی شود. از نرم افزار فلوئنته FLUENT برای حل میدان جریان استفاده شده اسمته. ما پاشش بخار مشاهده شده که .NO به طور چشمگیری کاهش یافته، اما نشر CO افزایش یافته است.
واژه های کلیدی: محفظه احتراق، NO. تحلیل جریان، پاشش بخار یا آب
NOx Reduction Analysis in Fuel Gas Combustion Chamber Using Water Injection
ABSTRACT
Nowadays, a great deal of efforts are being carried out to reduce NOx emission in gas turbines. NOx emission depends closely on the flame temperature. Water or steam injection reduces the pick temperature and NOx emission. In this paper, after modeling the combustion chamber, steam, with steam to fuel ratios of 0.5 and I, is injected into the chamber and its effect on the NOx emission reduction is studied. The FLUENT software is used for solving the related reactive flow. It is concluded that, NOr emission decreases considerably, but CO emission increases
Key Words: Combustion Charnber, NOx, Flow Analysis, Steam or Water Injection
مقدمه
از زمان شروع به کار اولین توربین گاز، تلاش در جهت کاهش نشر آلاینده آن آغاز شده و روش های زیادی تاکنون ابداع شده است. یکی از این روش ها پاشش آب یا بخار به محفظه احتراق است. که سالهای زیادی است از آن استفاده می شود. شواهد نشان داده است، که مقدار کاهش ;NO نسبت به جرم آب با بخار تزریق شده به جرم سوخت بستگی زیادی دارد. این مسئله توسط شاو (Shaw) [۱] اشتر(Schetter) أ۲) نشان داده شده است. لویر(Liever) [۳] با استفاده از تحلیل CFD کاهش ,NO را با استفاده از پاشش آب بررسی کرده و نشان داده است، که با افزایش پاشش آب یا بخار، .NO را تا ۹۴ درصد می توان کاهش داد، ولی نشر CO به شدت افزایش می یابد.
N0 در محفظه احتراق توربین گاز با استفاده از روش ,NO سوختی و NO حرارتی تشکیل می شود. ,NO سوختی زمانی که نیتروژن موجود در سوخت با اکسیژن واکنش میدهد، تشکیل می شود. ;NO سوختی را میتوان با کاهش مقدار نیتروژن موجود در سوخت استفاده از سوختهای حاوی نیتروژن کم، مانند گاز طبیعی) یا با کاهش اکسیژن در دسترس در ناحیه احتراقی کنترل کرد. ,NO حرارتی هم زمانی که نیتروژن موجود در هوا با اکسیژن واکنش می دهد (در نواحی دما بالا) تشکیل می شود، که با کاهش اکسیژن موجود در ناحیه احتراقی یا کاهش دمای ناحیه احتراقی کاهش می یابد. با پاشش آب یا بخار به محفظه احتراق، آب همانند چاه حرارتی عمل می کند و با جذب گرمای ناحیه واکنش، دما را کاهش می دهد. با کاهش دما نشر NOx کم می شود. در این مطالعه، به محفظه احتراق مدل شده، بخار تزریق می شود. بخار با نسبت های بخار به سوخت ۰/ ۵ و ۱ وارد محفظه می شود، تا اثر پاشش بخار بر کاهش NO با مقایسه حالتهای بدون پاشش بخار و با پاشش بخار بررسی شود.
معادلات حاکم بر جریان
به منظور تحلیل عددی مدل موردنظر، نیاز به حل معادلات متوسط زمانی ممنتم، پیوستگی، انرژی و حالت است (۴) پیوستگی
ممنتم
وجود ترمهای آشفتگی در معادلات نیاز به مدل سازی آشفتگی جریان را آشکار می سازد. این تنش ها توسط مدل های مختلف آشفتگی مدل می شوند.
انرژی
معادله حالت گاز کامل هم جزء معادلات موثر در تحلیل عددی است که ارتباط بین چگالی و دمای گاز را میدهد: معادله حالت
به منظور بستن معادلات ناوبر - استوکس، مدل توربولانس مناسب نیاز است، که در این تحقیق از مدل R - S ، الگوریتم RNG استفاده شده است، که به شکل زیر ارائه می شود
انرژی جنبشی آشفتگی
نرخ استهلاک
اثر متقابل توربولانس و واکنش شیمیایی با روش dissipation eddy مدل شده است (۶) که در این مدل نرخ واکنش ام مینیمم عبارتهای زیر است:
واکنش های به کار رفته برای سوخت متان به صورت دو مرحله ای است:
برای محاسبه میزان نشر NOx، فلوئنت یک معادله انتقال برای غلظت N0 نیز حل می کند. فلوئنت، علاوه بر این معادله انتقال، برای NOx سوختی نیز، یک معادله انتقال اضافی برای اجزاء واسطه HCN يا ;NH (بسته به نوع سوخت) حل می کنند. معادلات انتقال N0x بر پایه های داده های جریان حل شده، حل می شود [۷]
به عبارت دیگر NOx یک پس پردازنده از جریان شبیه سازی شده است. که حل دقیق و درست جریان احتراقی برای محاسبه مقدار N0x بسیار اهمیت دارد معادله انتقال جرم برای N0 به صورت زیر نوشته می شود، که شامل عبارتهای جابجایی نفوذی، تولید و مصرف NO و اجزای مربوطه است [۷]
NGو نسبت جرمی در فاز گازی است، SNG هم ترم چشمه (source term) است، که برای مکانیزم های مختلف تشکیل N0x محاسبه می شود. نرخ تشکیل N0x با استفاده از واکنش های زلدویچ (Zeldovich) محاسبه می شود:
با فرض اینکه نرخ مصرف اتمهای آزاد نیتروژن مساوی نرخ تولید آن است، غلظت N0 از رابطه زیر به دست می آید:
تنها به غلظت 0 ,OH نیاز است تا غلظت NO بدست آید. فلوئنت به چند روش غلظت این اجزاء را به دست می آورد. برای مطالعه بیشتر به مرجع (۷) رجوع شود.
هندسه و شرایط مسئله شکل هندسی محفظه احتراق مورد نظر در شکل (۱) نشان داده شده است. طول محفظه ۰/ ۸ متر و قطر آن ۰/ ۲ متر است، قطر مجرای ورودی سوخت ۱۰۰۵ متر است. هوا هم از مجرایی با قطر خارجی ۰/ ۰۱۱۵ متر و قطر داخلی ۰۰۰۵ وارد محفظه می شود. در ساختن شبکه برای تحلیل جریان، از نرم افزار گمبیت (Gambit نسخه ۲، ۱ ، ۱ استفاده شده است.
شكل (۲) شبکه بندی محفظه را نشان می دهد. هندسه موردنظر برای شبکه بندی به دو ناحیه تقسیم شده است. در واقع چون در کار تجربی، توزیع شعاعی نتایج در ۰/ ۱ = X متر داده شده است، نیاز به تعریف خطی در ۰۱ = X با شرط مرزی interior مشاهده شده است تا توزیع پارامترها به صورت شعاعی برای مقایسه بر روی این خط نشان داده برای گسسته سازی عبارت های جابجایی معادلات حاکم از طرح بالادستی مرتبه اول و برای تصحیح میدان فشار از الگوریتم سیمپل استفاده شده است
روش حل عددی بر پایه حجم محدود و شرایط دایمی است [۴] در ورودی سوخت و هوا و بخار، شرط مرزی سرعت ورودی و در خروجی از محفظه هم، شرط مرزی فشار ثابت استفاده شده است. سرعت سوخت در ورود به محفظه ۵۴ متر بر ثانیه و سرعت هوا ۲۹ متر بر ثانیه است. دمای سوخت و هوا در ورود ۳۰۰ کلوین است و فشار اتمسفریک است. برای دیواره بالا از شرط انتقال حرارت تابشی و جابجایی (mixed) استفاده شده است. خط مرکزی محور تقارن در نظر گرفته شده است. برای شروع واکنش های شیمیایی دمای اولیه را ۲۰۰۰ کلوین در نظر میگیریم که به این ترتیب جرقه مدل می شود (۷).
نتایج
نتایج ابتدا، صحت محفظه احتراق مدل شده با مقایسه نتایج آن با مرجع (۸) تأیید شده است. مدل مورد استفاده در مرجع (۸) توسط فلوئنت مدل سازی شده است. توزیع شعاعی دما شود. شبکه استفاده شده در جهت طولی، عرضی و زاویه ای ۵۰۴۰۸۱۲۰ است. مسئله با تعداد شبکه های بیشتر هم حل شده است (۱۴۰۵۰ × ۵۰)، ولی تغییر چندانی در حل دیده نشده است که این موضوع مستقل بودن حل از شبکه را نشان می دهد.
در 0 / 1 = X در شکلی (۳) نشان داده شده است. نتایج کار عددی انجام شده در مرجع روش LES) و کار عددی انجام شده در این تحقیق و کار تجربی تطبيق خوبی دارد. به جز در مرکز که مطابق با مرجع می تواند به دلیل خطای پروپ اندازه گیری دما در اثر تابش باشد. شکل (۴) توزیع شعاعی نسبت مولی متان را در ۰/ ۱= X نشان میدهد که تطبيق قابل قبولی با نتایج عددی دارد. بخار با نسبت های بخار به سوخت ۵ را به محفظه پاشیده می شود. شكل (۵) کانتورهای دما را در سه حالت نسبت بخار به سوخت : و۵ وا نشان می دهد. با ورود بخار به محفظه احتراق دمای ماکزیمم کاهش می یابد. در واقع بخار همانند چاه حرارتی عمل می کند و گرمای محفظه را جذب می کند در نسبت بخار به سوخت صفر دمای ماکزیمم ۱۹۱۰ کلوین و در نسبت بخار به سوخت ۵ • ماکزیمم دما تا ۱۸۲۰ کلوین و در نسبت بخار به سوخت ۱ تا دمای ۱۷۶۰ کلوین کاهش می یابد. پاشش بخار باعث تغییر چشمگیر در الگوی جریان (مانند نواحی گردش و نواحی دما یکسان نمی شود.
شکل (۶) کانتور NO را بر حسب ppm نشان میدهد. شایان ذکر است که خروجی نرم افزار فلوئنت برحسب نسبت جرمی یا مولی یا غلظت مولی است و غلظت NO را برحسب ppm ، که در صنعت مرسوم است، نمیدهد. تابعی تجربی تعریف شده است، که فلوئنت با استفاده از این تابع تجربی، مقدار نسبت جرمی یا مولی NO را برحسب ppm محاسبه کند و آن را نشان دهد. همان طور که انتظار می رود و در شکل (۶) نیز نشان داده شده است، بیشترین مقدار NOx در قسمت های دما بالایشعله تشکیل شده است. در واقع اساس کار تزریق بخار، کاهش دمای پیک شعله است که در این نمونه بخار با نفوذ به قلب شعله بدون اینکه پایداری شعله را از بین ببرد یا الگوی جریان را تغییر بدهد، دمای شعله را جذب می کند،
به دلیل ظرفیت گرمایی بالا) و دمای پیک را کاهش می دهد. با جذب گرما و کاهش دما، دیگر انرژی لازم برای شکستن پیوندهای قوی N2 وجود ندارد.
