Çok Yakıtlı Kazanlarda Yanma ve Emisyon Oluşumunun Nümerik ve Deneysel Modellenmesi

Abstract

Son yıllarda ülkelerin enerjiye olan ihtiyacı giderek artmaktadır. Artan bu ihtiyaçla birlikte alternatif yakıtlara ve enerjinin verimli kullanılmasına olan eğilim de artmaktadır. Enerjinin verimli kullanılmasına etkenlerden birisi de yanma verimidir. Yanma veriminden bahsedilmesi durumunda alevin yapısı da önem kazanmaktadır. Bu çalışmanın birinci kısmında literatürde bulunan deneysel analizi yapılmış CH4/H2/N2 kompozit gaz yakıtının türbülanslı difüzyon alevinin sıcaklık, eksenel hız, CO2, CO ve NO profillerinin nümerik hesaplaması yapılmıştır. Hesaplamalar iki boyutlu eksenel simetrik şartlarda gerçekleştirilmiştir. Model sonuçları literatürden alınan deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında CH4/H2/N2 kompozit gaz yakıtının konstrasyonları değiştirilerek hesaplamalar yapılmıştır ve hesaplamalar sonucu oluşan alev yapıları incelenmiştir. Ayrıca çalışmanın ikinci kısmında modellenen CH4/H2/N2 kompozit gaz yakıtında N2 yerine CO2 eklenerek hesaplamalar da yapılmıştır ve bu hesaplamalar da iki boyutlu eksenel simetrik şartlarda yapılmıştır. Son olarak örnek bir kazanda gaz yakıt ve sıvı yakıt yakılarak alev yapıları ve oluşan emisyonlar incelenmiştir. Bu hesaplamalar üç boyutlu olarak gerçekleştirilmiştir. Nümerik hesaplamada FLUENT programından yararlanılmıştır. Çalışmaların tümünde türbülans modeli olarak standart k-e model, yanma modeli olarak ön karışımsız (nonpremixed) model kullanılmıştır. Kimya ve türbülansın etkileşimi olasılık yoğunluk fonksiyonu (PDF) ile program tarafından hesaba katılmıştır. Anahtar kelimeler: Yanmanın modellenmesi, kompozit yakıtlar, difüzyon alevi, kazanlar.

The trend to use alternative fuels and efficient use of energy are increasing by the increase of energy demand. One of the effect on efficient use of energy is the combustion efficiency. Flame structure is very important part of the combustion efficiency. In the first part of this study, turbulent diffusion flame of CH4/H2/N2 composite fuel's temperature, axial velocity, CO2, CO and NO profiles numerically calculated and validated againist the experimental data taken from literature. Calculations were performed at two dimensional axisymmetric conditions. In the second part of this study, the amount of H2 and N2 concantrations in the CH4/H2/N2 fuel mixture varied and flame structures of these calculations results analyzed. Also calculations were performed with CH4/H2/CO2 composite fuel at two dimensional axisymmetric conditions. Finally flame characteristics and emissions of gaseous fuel and liquid fuel combustion at model boiler were numerically calculated. These calculations were performed at three dimensional conditions. FLUENT which solves the governing and reaction equations using finite volume method was used as the Computational Fluid Dynamic program. As a turbulence model standart k-e model, as a combustion model nonpremixed model was used at all of the studies. The interaction of the chemistry and turbulence were accounted by the program with Probability Density Function (PDF) model. Keywords: Combustion modeling, composite fuels, diffusion flame, boilers