بخشی از مقاله
مطالعه ترموسينتيکي احتراق بدون شعله گاز طبیعی در رآکتور کاملا آمیخته
چکيده
در احتراق بدون شعله بايد اولا دماي مـواد واکنـشي فراتـر از دمـاي خوداشتعالي بوده و ثانيا دماي نهايي، به دليل بازچرخش محـصولات احتراق و کاهش ميزان اکسيژن ، کمتر از دماي آدياباتيک شعله گردد.
در اين مطالعه ، احتراق بدون شعله گاز طبيعي در يک رآکتـور کـاملا آميخته بيدرروي اتمسفريک مورد بررسـي قرارگرفتـه و جنبـه هـاي ترموسينتيکي اين روش نوين مطالعه شده است . بـدين منظـور ابتـدا محاسبات دماي خوداشتعالي مخلوط واکنشي در محدوده وسـيعي از نسبت کربن به اکـسيژن و ميـزان رقيـق سـازي بـه انجـام رسـيده و مشاهده گرديده که در دماهاي بالاتر از حدود ١٢٥٠ کلوين ، شـرايط خوداشتعالي براي تمام دامنه ورد مطالعه قابل حصول است . سـپس محاســبات رآکتــور کــاملا آميختــه انجــام شــده و دمــاي رآکتــور و محصولات احتـراق در شـرايط مختلـف پارامترهـاي ورودي بررسـي گرديده است . مشاهده شده که در شرايط نسبت کـربن بـه اکـسيژن معادل ١.١٦ و درصد حجمي اکسيژن معادل ١٠% وضعيتي بهينه براي آلاينده ها وجود دارد. با محاسبه دماي آدياباتيک شعله و مقايـسه آن با دماي رآکتور مشاهده گرديده که تنها در اين وضعيت دماي رآکتور کمتر از دماي آدياباتيک شعله شده و شرايط تعريـف احتـراق بـدون شعله قابـل حـصول اسـت . درنهايـت مقايـسه دقيقـي بـين احتـراق بدون شعله با احتراق متعارف انجام و گزارش شده است .
کلمات کليدي : احتراق بدون شعله ، گاز طبيعي، سينتيک شيميايي، رآکتور کاملا آميخته .
مقدمه
امروزه مشخص شـده کـه بـازچرخش گرمـا و گازهـاي خروجـي در محفظه هاي احتراق که در طي آن مواد واکنـشي توسـط محـصولات احتراق رقيق شده و دماي مخلوط واکنشي به مقادير فراتـر از دمـاي خوداشتعالي ميرسد، روشي نويدبخش بـراي دسـتيابي بـه رانـدمان حرارتي بالا و آلاينده هاي اندک در سامانه هاي نـوين مـيباشـد [١]. قابليت کاربرد اين رژيم احتراق در صنايع مختلف و تحت عنـاويني از
2
قبيل احتراق (اکسيداسيون ) بـدون شـعله ١[٢]، احتـراق هـواي داغ [٣]، احتراق ملايم ٣[٤] و يا احتراق رقيق ٤[٥] به اثبات رسيده است . مطالعات گسترده اي براي بررسي اين مود نوين احتـراق انجـام شـده [١-٩] و مروري بر موضوع نيز در مرجع [٤] ارايه گرديده است در شکل (١) نمونه اي از يک مـشعل صـنعتي ٥٠٠ کيلـوواتي در مود کاري بدون شعله و شعله مقايسه شده است [٥]. با وجـود ثابـت نگه داشتن توان خروجي، مقدار اکسيدهاي نيتـروژن از ppm٢٥٠ در مود شعله به کمتر از ppm١٠ در مود بدون شعله تقليل يافته است .
افزايش دماي مواد واکنشي اگرچه به دليـل نقـش مثبـت آن در افزايش نرخ واکنش هاي اکـسايش در مراحـل اوليـه فرآينـد احتـراق ميتواند موجب بهبود راندمان احتراق گردد، ولـيکن عمومـا موجـب افزايش ميزان اکسيدهاي نيتروژن ناشي از احتراق نيز مـيشـود [٨].
در احتراق بدون شعله ، پـيش گـرم کـردن مـواد واکنـشي بـه همـراه بازچرخش شديد محصولات احتراق بـه درون ناحيـه واکـنش (و لـذا کاهش چشمگير غلظت اکسيژن در ناحيه واکنش ) موجب ميشود تا علاوه بر افزايش دماي مواد واکنشي و بهبود راندمان احتـراق ، دمـاي شعله نيز پايين نگه داشته شده و ميزان اکسيدهاي نيتروژن توليـدي نيز محدود گردد. بنابراين به بيان علميتر بايد احتراق بدون شـعله را معادل با احتراق ملايم مواد واکنشي داغ دانست [٨و٩].
مطابق تعريف ، براي حصول احتراق بدون شـعله بايـد اولا دمـاي مواد واکنشي فراتر از دماي خوداشتعالي بوده و ثانيا دماي نهايي، بـه دليل بازچرخش محصولات احتراق و کاهش ميزان اکسيژن ، کمتـر از دماي آدياباتيک شعله باشد [٤]. در احتراق بدون شعله جبهـه شـعله قابل مشاهده نبوده و تشعشع حرارتي و توزيع دما و غلظـت اکـسيژن در محفظه تقريبا يکنواخت ميباشد (ر.ک. شکل (١)). همچنين نويز توليد شده توسط احتراق نيز در اين حالت ناچيز اسـت . قابليـت ايـن روش در کوره هاي صنعتي و با استفاده از انواع سـوخت هـاي گـازي، مايع ، و جامـد بـه اثبـات رسـيده [٩] و بـه کـارگيري ايـن روش در محفظه هاي احتراق بيدررو از قبيل محفظه احتراق توربين هـاي گـاز همچنان در مرحله توسعه قرار دارد [١٠-١٢].
در اين مطالعه ، احتراق بدون شعله گاز طبيعـي در يـک رآکتـور کاملا آميخته بيدررو با زمان اقامت متوسط يک ثانيه و فـشار کـاري يک اتمسفر مورد بررسي قرارگرفته و جنبه هـاي ترموسـينتيکي ايـن روش نوين با رويکردي نظري و بنيادي مطالعه شده است .
بدين منظور ابتدا محاسبات دقيـق دمـاي خوداشـتعالي مخلـوط واکنشي در محدوده وسـيعي از نـسبت کـربن بـه اکـسيژن و ميـزان رقيق سازي در يک رآکتور فـشارثابت بـه انجـام رسـيده اسـت . کليـه محاسبات با استفاده از مکانيزم سينتيک شيميايي کامل احتراق متان صورت گرفته و همـواره از نيتـروژن خـالص بـه عنـوان رقيـق کننـده استفاده شده است . براي سهولت ارجاع به شرايط مختلف پارامترهاي ورودي که در جـدول (١) جزئيـات آن ارايـه گرديـده ، روشـي بـراي نام گذاري شرايط مختلف مورد استفاده قرار گرفته است . در اين روش بـسته بـه ميـزان نـسبت کـربن بـه اکـسيژن (کـه در واقـع معـرف استوکيومتري شيميايي ميباشد)، سـه عبـارت R،S و L در سـتون سمت چپ جدول (١) در نظر گرفته شده که به ترتيب معرف شرايط غنيسوز، استوکيومتريک و رقيق سوز مي باشد. همچنين بـراي معـين کردن ميزان رقيق سـازي نيـز سـه عبـارت SOC،MLD و ILD در سطر بالاي جدول مزبور در نظر گرفتـه شـده کـه بـه ترتيـب بيـانگر شرايط محتـواي اکـسيژن اسـتاندارد، رقيـق سـازي متوسـط (درصـد حجمي اکسيژن معادل با ١٠%) و رقيق سازي شديد (درصـد حجمـي اکسيژن معادل با ٥%) ميباشـد. بـه عنـوان مثـال عبـارت L-MLD بيانگر شرايطي است که در آن نسبت کربن به اکـسيژن برابـر بـا ١.١٦ بوده و مقدار محتواي اکسيژن آن ١٠% است . کسر مـولي گونـه هـاي مربوط به اين حالت نيز در سطر آخر جدول (١) و در سـتون ميـاني ارايه گرديده است . براي ساير شرايط نيز وضعيتي مشابه وجود دارد.
پس از تعيين دماي خوداشتعالي، مطالعه احتراق مـواد واکنـشي در محدوده وسيعي از پارامترهاي ورودي در رآکتور کاملا آميخته بـه انجام رسيده و دماي رآکتور و محصولات احتراق در شـرايط مختلـف بررسي گرديـده اسـت . بـراي محاسـبه دمـاي آدياباتيـک شـعله نيـز محاسبات تعادلي مورد نياز صورت گرفته است . در قسمت هـاي آتـي، مدل هاي فيزيکي تشريح شده و نتايج مطالعات عددي نيز به تفـصيل ارايه و بررسي گرديده است .
مدل فيزيکي
رآکتور کاملا آميخته يا PSR٥دسـتگاهي ايـده آل و متـشکل از يـک ورودي، يک محفظه و يک خروجي است . مواد اوليـه در حـالتي پايـا وارد محفظه شده ، با يکديگر واکـنش داده ، و از خروجـي رآکتـور بـه صورت محصولات احتراق خارج ميشوند. فرض ميشـود کـه پروسـه اختلاط مواد واکنشي در محفظه رآکتور به صـورت بـينهايـت سـريع صورت گرفته و لذا همواره محتواي درون آن همگن است . به عبـارت ديگر تنها مقياس زماني حاکم بر مساله مربوط به نـرخ واکـنش هـاي شيميايي است نه نرخ اختلاط مواد واکنشي [١٣]. مدلسازي عـددي اين پيکربندي اولين بـار در مرجـع [١٤] صـورت گرفتـه و ويـرايش جديد اين کد با قابليت شبيه سازي واکنش هاي سطح و پلاسما تحت عنوان کد AURORA [١٥]، امروزه يکي از مولفه هاي اصـلي بـسته نرم افزاري CHEMKIN مي باشد.
رآکتــور کــاملا آميختــه را بــه جــرات مــيتــوان ارزشــمندترين پيکربندي پايه براي مطالعـات ترموسـينتيکي احتـراق بـدون شـعله دانست [١٦،٧و١٧]. بـراي مدلـسازي عـددي ايـن رآکتـور عمومـا از مــاژول AURORA در بــسته نــرم افــزاري CHEMKIN اســتفاده مي شود. جزئيات معادلات حـاکم بـر رآکتـور کـاملا آميختـه و روش عددي حل اين معادلات در مرجع [١٣] ارايه شده است .
علاوه بر محاسبات رآکتور کاملا آميختـه ، بـراي محاسـبه دمـاي خوداشتعالي از يک مدل رآکتور بسته فشارثابت گـذرا اسـتفاده شـده است . شبيه سازي اين رآکتور نيز بـا اسـتفاده از مـاژول AURORA قابل انجام است . براي محاسبه دماي خوداشتعالي، زمان شبيه سـازي رآکتور بسته گذرا معادل با زمان اقامت رآکتور کاملا آميختـه مـشابه انتخــاب شــده و دمــاي ورودي تــا حــدي افــزايش داده شــده کــه خوداشتعالي دقيقا در انتهاي بازه شبيه سازي رخ دهد. براي اطمينـان از وقــوع خوداشــتعالي، عــلاوه بــر پروفيــل دمــا، مقــادير راديکــال هيدروکسيل نيز پايش شده است . لازم به ذکر است که ميتوان دماي خوداشتعالي را با استفاده از مدل رآکتور بسته حجم ثابت گـذرا [١٨]
و يا مدل رآکتور کاملا آميخته گذرا نيز محاسبه نمود. بـا ايـن وجـود نتايج مطالعه اخير حاکي از آن بوده که اختلاف دماي محاسبه شده با روش حاضر در غالب شرايط مورد مطالعه ، اختلافي در حدود کمتر از ١٠ درجه کلوين با دو روش ديگر داشـته و از ايـن رو همـواره دمـاي خوداشتعالي با استفاده از روش پيش گفته محاسبه شده است .
کليه محاسبات سينتيکي فوق با اسـتفاده از مکـانيزم شـيميايي بهينه GRI٣٠ [١٩] صورت گرفته که شـامل ٥٣ گونـه شـيميايي و ٣٢٥ واکنش بنيادي و مشتمل بر شيمي نيتروژن مي باشد.محاسبه دماي آدياباتيک شعله نيز با استفاده از کـد CEA [٢٠]صورت پذيرفته است . دماي آدياباتيک شعله را ميتوان در حالت فشار و انتـالپي ثابـت (اصـطلاحا HP) و يـا حجـم و انـرژي داخلـي ثابـت (اصطلاحا UV) محاسبه نمود که در اين مطالعه و با توجه به ماهيت مساله همواره از روش اول در محاسبات استفاده شده است .
نتايج عددي
در گام اول ، دماي خوداشتعالي مخلوط متان .اکسيژن .رقيق کننده (که در اين مطالعه همواره نيتروژن فرض شده است ) در يک آکتور بسته گذراي آدياباتيک فشارثابت محاسبه شـده و نتـايج ايـن محاسـبه در شکل (٢) ارايه گرديده است . همانگونه که در شکل (٢) قابل مشاهده است ، افزايش مقدار رقيق کننده و افزايش نسبت کـربن بـه اکـسيژن هردو باعث افزايش دماي خوداشتعالي ميشوند. با توجه به نمـودار و مقايسه با اطلاعات جدول (١) همچنين ميتوان دريافت کـه بـه ازاي کليه شرايط مورد مطالعه ، در دماهاي بـالاتر از ١٢٥٠ کلـوين ، تمـام مخلوط هاي مورد مطالعه در فشار يـک اتمـسفر و زمـان اقامـت ١.٠ ثانيه دچار خوداشتعالي گرديده و لذا شرط اول احتراق بـدون شـعله ارضا ميگردد. بدين ترتيب کليـه محاسـبات آتـي در رآکتـور کـاملا آميخته در دماهاي ورودي فراتر از ١٢٥٠ کلوين صورت ميپذيرد تـا از وقوع خوداشتعالي در مخلوط اطمينان حاصل شـده و بـه عـلاوه از [١٦] يـا وقوع مشکلات محاسباتي ازقبيـل حـل هـاي چندگانـه پايـا ناپايداريهاي حل گذرا [٢١] نيز ممانعت به عمل آيد.
پس از تعيين آستانه دماي خوداشتعالي، در ايـن قـسمت نتـايج محاسبات رآکتور کاملا آميخته ارايه ميگردد. براي تمام حالات ارايه شـده در جـدول (١) و در دماهـاي ورودي ١٢٥٠ تـا ١٩٥٠ کلـوين ، مقادير دماي خروجي رآکتور و مقادير گونه هاي شيميايي مهـم ارايـه گرديده است . انتخاب گونه ها به نحوي صورت گرفته که بتوان تـصوير مناسـبي از مقايـسه حـالات مختلـف بـه دسـت آورد . بـدين منظـور گونه هـاي شـيميايي NO و CO بـه عنـوان مهمتـرين آلاينـده هـاي احتراق مورد بررسي قرار گرفته و مقادير H2O و H2 نيز براي بررسي محصولات احتراق مطالعه شده است . کسر مـولي اسـتيلن (C2H2) و CH نيز بررسي و ارايه گرديده است . کسر مولي استيلن از يک سو به دليل آن که ميتواند به عنوان يکي از سنجه هاي اصلي توليد دوده به شمار آيد و از سوي ديگر به عنوان نمادي بـراي وقـوع واکـنش ه اي ترکيب مجدد از اهميت زيادي برخوردار اسـت . بـه عـلاوه گونـه هـاي استيلن و CH از مهمترين عوامل رويت جبهه شعله به شمار مي آيند. در شکل (٣) دماي خروجي رآکتور کـاملا آميختـه ( Twsr) بـه ازاي مقادير مختلف دماي ورودي (Tin) و براي تمام حالات جـدول (١) ارايه شده است . براي مقايسه بهتر، مقادير دماي رآکتور با شيمي ثابت نيز بر روي نمودار گزارش شده است .
با توجه به شکل (٣) ميتوان دريافت که دماي رآکتور همواره بـا افزايش دماي ورودي افزايش مييابد. تغييرات دماي رآکتور با تغييـر مقدار رقيق سازي وابسته به نسبت کربن به اکسيژن است . در حـالات
R و S (ر.ک. جدول (١)) همواره با کاهش سطح اکسيژن Twsr نيز کاهش مييابـد. امـا در حالـت L اگرچـه کـاهش اکـسيژن از مقـدار استاندارد موجب افت دماي رآکتور مـيگـردد، امـا در هـر دو سـطح MLD و ILD دمـاي رآکتـور تقريبـا ثابـت مانـده اسـت . بيـشترين اختلاف بين Tin و Twsr مربوط بـه حالـت S-SOC و دمـاي ورودي ١٢٥٠ کلوين و حدود ١٤٠٠ کلوين بـوده و بـا دور شـدن از شـرايط استوکيومتري و بالارفتن دماي ورودي اين اختلاف کاهش مي يابد.
در شکل (٤) مقادير کسر مولي NO در دماهاي ورودي مختلف و براي کليه حالات جدول (١) ارايه گرديده است .
با توجه به شکل (٤) ميتوان دريافت که با افزايش دمـاي ورودي همواره مقدار NO افزايش مييابد که اين نتيجه کـاملا مـورد انتظـار بوده است . افزايش رقيق سازي نيز غالبـا موجـب کـاهش مقـدار NO بوده است . تنها مورد استثناي اين قاعده در شرايط R و دماهاي فراتر از ١٨٠٠ کلوين است که افزايش رقيق سازي موجـب افـزايش مقـدار NO شده است . همچنين با توجه به نمودار مزبور ميتوان دريافت که در حالت L، رسيدن از L-MLD به L-ILD تاثير انـدکي بـر مقـدار NO دارد. نکته جالب توجه نمودار شکل (٤) اين اسـت کـه همـواره مقدار NO توليدي براي حالت رقيق سوز (R) کمينه است . همچنـين مقدار آن براي شرايط استوکي ومتريک (S) بيشينه است الا در دمـاي بالاتر از حدود ١٦٥٠ تا ١٧٠٠ کلوين و در شرايط SOC و ILDدر شـکل (٥) مقـادير CO خروجـي از رآکتـور بـه ازاي مقـادير مختلف دماي ورودي و براي تمام حالات جدول (١) ارايه شده است .
با توجه به شکل فوق ميتوان به وضوح مشاهده نمود که همـواره مقدار CO در حالت L کمينه است . بـه عـلاوه مقـدار CO غالبـا بـا افزايش دما افزايش مييابد. تنها حالت استثناي اين قاعده مربوط بـه حالات L-MLD و L-ILD و تا يک دماي حدي به ترتيب ١٥٠٠ ١٤٠٠ کلوين ) ميباشد که مقدار CO ابتدا تا قبـل از ايـن دمـا و بـا افزايش Tin کاهش يافته و سپس در دماهاي فراتر از اين دماي حدي با افزايش Tin افزايش مييابد. به ازاي تمام مقادير نسبت اکسيژن بـه کربن مقدار CO در حالت SOC ماکزيمم است . همچنين مقدار CO در شرايط ILD غالبا مينيمم است . شـرايط اسـتثناي ايـن قاعـده را ميتوان در حالات L و S و دماهـاي ورودي کمتـر از ١٥٥٠ کلـوين مشاهده نمود که مقدار CO در اين شرايط در حالـت MLD کمينـه مي شود. همواره افزايش نسبت کربن به اکسيژن نيز موجـب افـزايش مقدار CO در خروجي از رآکتور کاملا آميخته مي گردد.
در شکل هاي (٦) و (٧) به ترتيب مقادير کسر مـولي H2O و H2 به ازاي مقادير مختلف دمـاي ورودي و در شـرايط جـدول (١) ارايـه شده است . با افزايش دماي ورودي همواره مقدار H2O کاهش مي يابد مگر در شرايط S-ILD و در دماهاي ورودي کمتر از ١٦٠٠ کلوين .
کاهش غلظت اکسيژن همواره مقدار HO٢ را کاهش ميدهد مگر در شرايط L که غلظـت بخـار آب در شـرايط ILD و MLD تقريبـا ثابت باقي ميماند. همواره مقدار بخـار آب توليـدي بـراي شـرايط S بيشينه است . براي دو حالـت ديگـر و تـا يـک دمـاي حـدي (١٥٥٠ کلوين براي SOC، بين ١٨٠٠ تا ١٨٥٠ کلـوين بـراي MLD و بـين ١٧٥٠ تا ١٨٠٠ کلوين براي ILD) مقدار بخار آب توليدي حالت R و فراتر از اين دما، مقدار بخار آب توليدي حالت L بيشتر است .
با توجه به شکل (٧) ميتوان دريافت کـه افـزايش دمـاي ورودي همواره موجب افزايش توليد H٢ ميگردد، مگـر در شـرايط S-ILD و دماهاي ورودي کمتر از ١٧٥٠ کلوين . همچنين با توجه به شکل (٧) ميتوان مشاهده نمود که مقدار مولکول هيدروژن توليدي در شـرايط
SOC همواره بيشينه اسـت . همچنـين مقـدار ايـن گونـه در شـرايط MLD نيز غالبا بيشتر از شرايط ILD است که شرايط استثناي ايـن قاعده را ميتوان در شرايط L و همچنين در حالـت S و در دماهـاي کمتر از حدود ١٧٥٠ تا ١٨٠٠ کلوين مشاهده نمود. همواره افـزايش نسبت کربن به اکسيژن موجب افزايش توليد H٢ مي گردد و بـه طـور کلي مقدار اين گونه در حالت R بيش از S و در S بيش از L است .
در شکل هاي (٨) و (٩) مقادير کسر مولي استيلن و CH به ازاي مقادير مختلف دماي ورودي و شرايط جدول (١) ارايه شده است
