Mustafa İLBAŞ, Esat YANIK, SERHAT KARYEYEN

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

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.

Anahtar Kelimeler:

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

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

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,

PDF

___

[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).