Kok Fırını Gazı ve Jeneratör Gazının Oksijence Zenginleştirilmiş Yanması: Sayısal Bir Çalışma

Year 2018, , 93 - 100, 31.03.2018

Mustafa Ilbas Esat Yanık Serhat Karyeyen

https://doi.org/10.2339/politeknik.385918

Abstract

Bu çalışmada, kok fırını ve
jeneratör gazları, hava ve farklı oranlardaki oksijence zenginleştirilmiş hava
şartlarında yakılmış ve havanın içerisinde bulunan oksijen miktarının yanma ve
emisyon parametrelerine olan etkileri sayısal olarak araştırılmıştır. Sayısal
çalışmanın gerçekleştirilebilmesi için bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği
yazılımı kullanılmıştır. Bu yazılımda, PDF/karışım oranı yanma modeli ile yanma
modellenmiş, bu modelleme için standard k-Ɛ türbülans modeli ile P-1 radyasyon
modelleri kullanılmıştır. Havanın bünyesinde hacimce % 21 seviyelerinde bulunan
O2 miktarı arttırılarak, % 30, % 40 ve % 50’ye çıkarılmıştır. Yapılan tahmin
sonuçları değerlendirildiğinde, her iki gazın yanma şartları için de, oksijence
zenginleştirilmiş yanma ile birlikte, alev sıcaklıklarının yükseldiği
rahatlıkla söylenebilir. Böylece oksijence zenginleştirilmiş yanma ile kok
fırını gazı ve jeneratör gazının yanma performanslarının arttığı görülmüştür.
Sonuçlar, emisyon bakımından değerlendirecek olursak, hava, oksijence
zenginleştirildikçe, yanma sonu CO emisyonlarının azaldığı, CO2 emisyonlarının
da arttığı belirlenmiştir. Son olarak, NOX emisyonları da araştırılmış ve
havada bulunan oksijen miktarı arttırıldıkça alev sıcaklıklarının yükselmesine
bağlı olarak NOX emisyonlarında da artış olduğu saptanmıştır. Hacimce % 50 O2
içeren hava şartları için gerçekleştirilen yanma neticesinde en yüksek sıcaklık
seviyeleri 2200 K’lere ulaşırken en yüksek NOX seviyeleri de 1500 ppm
dolaylarına yükselmiştir.

Keywords

Oksijence zenginleştirilmiş yanma, hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellemesi, emisyon, sentetik yakıt

Oxygen Enriched Combustion of Coke Oven Gas and Generator Gas: A Numerical Study

Abstract

The amount of oxygen in air has been changed and the
effect of oxygen amount has been numerically investigated on combustion and
emission parameters of coke oven and generator gases in a model combustor. A
CFD code has been used to perform numerical analysis. Combustion has been
modelled by using the PDF/Mixture Fraction combustion model, standard k-Ɛ
turbulence model as turbulence model and P-1 radiation model as radiation
model. The amount of oxygen in the air has been changed from 21 % to 30 %, 40 %
and 50 %. According to the predictions, it can be readily said that the flame
temperatures of the coke oven and the town gases increases under
oxygen-enriched combustion conditions. Therefore, it is demonstrated that the
combustion performances of the coke oven and town gases have been improved
under oxygen-enriched combustion. When the results are evaluated in terms of
emissions, it has been determined that CO emissions decrease while CO2
emissions increase as the air is enriched with oxygen. It has been also
concluded that NOX emission levels increase under oxygen-enriched combustion
conditions due to increases in flame temperatures of the coke oven and the town
gases. The maximum flame temperature level has been predicted as of almost 2200
K under % O2-included air conditions just as the maximum NOX level has been
also predicted as about 1500 ppm under the same conditions.

Keywords

Oxygen-enriched combustion, CFD modelling, combustion, synthetic gas

References

• [1] İlbaş, M., Karyeyen, S. “Modelling of combustion performances and emission characteristics of coal gases in a model gas turbine combustor”, International Journal of Energy Research, 38(9): 1171-1180, (2014).
• [2] Bordbar, M. H., Wecel, G., Hyppänen, G. “A line by line based weighted sum of gray gases model for in homogeneous CO2–H2O mixture in oxy-fired combustion”, Combustion and Flame, 161(9): 2435-2445, (2014).
• [3] Normann, F., Andersson. K., Leckner, B., Johnsson, F. “High-temperature reduction of nitrogen oxides in oxy-fuel combustion”, Fuel, 87(17-18): 3579–3585, (2009).
• [4] Kez, V., Liu, F., Consalvi, J.L., Ströhle, J., Epple, B. “ A comprehensive evaluation of differentr adiation models in a gas turbine combustor under conditions of oxy-fuel combustion with dry recycle”, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 172: 121–133, (2016).
• [5] Li, H., Yan., J., Yan, J., Anheden, H. “Impurity impacts on the purification process in oxy-fuel combustion based CO2 capture and storage system”, Applied Energy, 86: 202–213, (2009).
• [6] Buhre, B.J.P., Elliott, L.K.,Sheng, C.D., Gupta, R.P., Wall, T.F. “Oxy-fuel combustion technology for coal-fired power generation”, Progress in Energy and Combustion Science, 31: 283–307, (2005).
• [7] Toftegaard, M.B., Brix, J., Jensen, P.A., Glarborg, P., Jensen A.D. “Oxy-fuel combustion of solid fuels”, Progress in Energy and Combustion Science, 36: 581-625, (2010)
• [8] Zannis, C. T., Hountalas, D.T. “DI diesel engine performance and emissions from the oxygen enrichment of fuels with various aromatic content”, Energy & Fuels, 18: 659-666, (2004).
• [9] Ditaranto, M., Hals, J. “Combustion instabilities in sudden expansion oxy-fuel flames”, Combustion and Flame, 146: 493-512, (2006). [10] Chen, L., Yong, Z.S., Ghoniem, A.F. “Oxy-fuel combustion of pulverized coal: Characterization, fundamentals, stabilization and CFD modeling”, Progress in Energy and Combustion Science, 38: 156-214, (2012).
• [11] Yoshiie, R., Hikosaka, N., Nunome, Y., Ueki, Y., Naruse, I. “Effects of flue gas re-circulation and nitrogen contents in coal on NOX emissions under oxy-fuel coal combustion”, Fuel Processing Technology, 136: 106–111, (2015).
• [12] Ilbas, M., Yilmaz, I. ve Kaplan, Y., ‘’Investigation of hydrogen and hydrogen-hydrocarbon composite composite fuel combustion and NOX emission characteristics in a model combustor’’, International Journal of Hydrogen Energy, 30: 1139-1147, (2005).
• [13] Ilbas, M., ‘’Studies of Ultra Low NOX Burner’’, PhD Thesis, Cardiff, UK: University of Wales, (1997).
• [14] Yilmaz, I. “Effect of swirl number on combustion characteristics in a natural gas diffusion flame”, Journal of Energy Resources and Technology, 135: 1-8, 042204, (2013).