مدل‌سازی و شبیه‌سازی احتراق غیرکاتالیستی متان با شعله آرام برای تولید گاز سنتز

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

اثر شرایط عملیاتی بر عملکرد احتراق غیرکاتالیستی متان با شعله آرام به منظور تولید گاز سنتز مورد بررسی قرار می‌گیرد. به این منظور اثر نسبت متان به اکسیژن خوراک بر حداقل دمای پیش‌گرم لازم برای احتراق و اثرهای نسبت متان به اکسیژن، نسبت بخار آب به متان خوراک و نیز فشار محفظه احتراق بر میزان تبدیل متان و گزینش‌پذیری و بهره تولید گاز سنتز مورد بررسی قرار می‌گیرد. برهمکنش همزمان پدیده‌های انتقال جرم و گرما با سینتیک واکنش‌های شیمیایی با استفاده از یک مدل یک‌بعدی انجام می‌شود. سینتیک واکنش‌های احتراق متان با استفاده از سازوکار شیمیایی GRI 3.0 مدل می‌شود. حل عددی معادله‌های مدل با استفاده از زیربرنامه TWOPNT انجام می‌شود. مدل می‌تواند داده‌های آزمایشگاهی را به خوبی پیش‌بینی نماید. تاثیر افزایش فشار بر کاهش حداقل دمای پیش‌گرم لازم برای احتراق خوراک غلیظ بیش‌تر از خوراک رقیق است به‌طوری که افزایش فشار از 1 به 60 اتمسفر حداقل دمای پیش‌گرم لازم برای خوراک با نسبت متان به اکسیژن 25/0 و 1 را به ترتیب 200 و 800 کلوین کاهش می‌دهد. در نسبت متان به اکسیژن 5/0 تا 7/0، مخلوط واکنش قابلیت اشتعال در دمای 298 کلوین را داراست. افزایش موجودی متان و بخار آب در خوراک، بر روند تغییر تبدیل متان اثر همسو و بر روند تغییر گزینش‌پذیری و بهره تولید گاز سنتز اثر متقابل دارند. افزایش نسبت آب به کربن خوراک تا مقدار 4 سبب کاهش 83 تا 90 درصدی بهره تولید گاز سنتز می‌شود. تزریق بخار آب سبب کاهش نرخ تشکیل دوده و تولید گاز سنتز غنی از هیدروژن می‌شود. در خوراک رقیق با نسبت متان به اکسیژن 25/0، تبدیل متان و دمای محفظه‌ احتراق همواره با افزایش فشار افزایش می‌یابند در حالی که در خوراک غلیظ‌تر با نسبت‌های 2 و 5/2، به ترتیب در فشارهای حدود 30 و 35 بار دارای مقدار بیشینه هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Ramos L., Zeppieri S., Feasibility Study for Mega Plant Construction of Synthesis Gas to Produce Ammonia and Methanol, Fuel, 110: 141-152 (2013).
[2] Al-Hamamrea Z., Voßb S., Trimis D., Hydrogen Production by Thermal Partial Oxidation of Hydrocarbon Fuels in Porous Media Based Reformer, Int. J. Hydro. Energy, 34: 827-835 (2009).
[3] Aasberg-Petersen K., Christensen T., Nielsen C.S., Dybkjær I., Recent Developments in Auto-thermal Reforming and Pre-reforming for Synthesis Gas Production in GTL Applications, Fuel Process. Technol., 83: 253-261 (2003).
[4] Aasberg-Petersen K., Hansen H.B., Christensen T., Dybkjaer I., Christensen P.S., Nielsen C.S., Madsen S.W.,  Rostrup-Nielsen R., Technologies for Large-Scale Gas Conversion, Appl. Catal. A, 221: 379-387 (2001).
[5] Li C., Kuan B., Lee W.J., Burke N., Patel J., The Non-Catalytic Partial Oxidation of Methane in a Flow Tube Reactor Using Indirect Induction Heating-an Experimental and Kinetic Modelling Study, Chem. Eng. Sci., 187: 189-199 (2018)
[6] Samiran N.A., Chong C.T., Ng J.-H., Tran M.-V., Ong H.C., Valera-Medina A., Chong W.W.F., Jaafar M.N.M, Experimental and Numerical Studies on the Premixed Syngas Swirl Flames in a Model Combustor, Int. J. Hydro. Energy, 44: 24126-24139 (2019).
[7] Berger R.J., Marin G.B., Investigation of Gas-phase Reactions and Ignition Delay Occurring at Conditions Typical for Partial Oxidation of Methane to Synthesis Gas, Ind. Eng. Chem. Res., 38: 2582-92 (1999).
[8] Zhou X., Chen C., Wang F., Multi-Dimensional Modeling of Non-catalytic Partial Oxidation of Natural Gas in a High Pressure Reformer, Int. J. Hydro. Energy, 35: 1620-1629 (2010).
[9] Lari H.R., Shahnazari M.R., Experimental Investigation of Methane Partial Oxidation for Hydrogen Production, J. Energy Manag. Technol., 2: 20-24 (2017).
[10] Konnov A.A., Zhu J.N., Bromly J.H., Zhang D., Noncatalytic Partial Oxidation of Methane into Syngas over a Wide Temperature Range, Combust. Sci. Technol., 176: 1093-1116 (2004).
[11] Brüggemannm P., Seifert P., Meyer B., Müller-Hagedorn M., Influence of Temperature and Pressure on the Non-Catalytic Partial Oxidation of Natural Gas, Chem. Product Process Modeling, 5: 1-24 (2010).
[12] Guo W., Wu Y., Dong L., Chen C., Wang F., Simulation of Non-Catalytic Partial Oxidation and Scale-Up of Natural Gas Reformer, Fuel Process. Technol., 98: 45-50 (2012).
[13] Zahedi Nezhad M., Rowshanzamir S., Eikani M.H., Auto-thermal Reforming of Methane to Synthesis Gas: Moldeling and Simulation, Int. J. Hydro. Energy, 34: 1292-1300 (2009).
[14] Pina J., Borio D.O., Modeling and Simulation of an Auto-thermal Reformer, Lat. American Appl. Res., 36: 289-294 (2006).
[15] AL-Dhfeery A.A., Jassem A.A., Modeling and Simulation of an Industrial Secondary Reformer Reactor in the Frtilizer Plants, Int. J. Ind. Chem., 3: 2-8 (2012).
[16] Amirshaghaghi H., Zamaniyan A., Ebrahimi H., Zarkesh M., Numerical Simulation of Methane Partial Oxidation in the Burner and Combustion Chamber of Auto-Thermal Reformer, Appl. Mathematical Modeling, 34: 2312-2322 (2010).
[17] Lee P.H., Hwang S.S., Numerical Simulation on Non-Catalytic Thermal Process of Methane Reformation for Hydrogen Productions, Int. J. Hydro. Energy, 42: 23784-23793 (2017).
[18] Nourbakhsh H., Rahbar Shahrouzi J., Ebrahimi H., Zamaniyan A., Jafari Nasr M.R., Experimental and Numerical Study of Syngas Production During Premixed and Ultra-Rich Partial Oxidation of Methane in a Porous Reactor, Int. J. Hydro. Energy, 44: 31757-31771 (2019).
[19] Yapici H., Kayatas N., Albayrak B., Basturk G., Numerical Calculation of Local Entropy Generation in a Methane-Air Burner, Energy Convers. Manag., 46: 1885-1919 (2005).
[20] Galletti C., Parente A., Tognotti L., Numerical and Experimental Investigation of a Mild Combustion Burner, Combust. Flame, 151: 649-664 (2007).
[21] Bhasker C., Simulation of Air Flow in the Typical Wind Box Segments, Advances Eng. Softw., 33: 793-804 (2002).
[22] Purimetla A., Cui J., CFD Studies on Burner Secondary Airflow, Appl. Mathematical Modeling, 33: 1126-1140 (2009).
[23] Grcar J.F., Kee R.J., Smooke M.D., Miller J.A., A Hybrid Newton/time Integration Procedure for the Solution of Steady, Laminar, One-Dimensional Premixed Flames, Proceeding Combust. Inst., 21: 1773-1782 (1986).
[24] Lemke B., Roodhouse C., Glumac N., Krier H., Hydrogen Synthesis via Combustion of Fuel-rich Natural Gas/Air Mixtures at Elevated Pressure, Int. J. Hydro. Energy, 30: 893-902 (2005).
[25] Rasmussen C.L., Jakobsen J.G., Glarborg P., Experimental Measurements and Kinetics Modeling of CH4/O2 and CH4/C2H6/O2 Conversion at High Pressure, Int. J. Chem. Kinetics, 40: 778-807 (2008).
[26] Salehi M.M., “Numerical Simulation of Turbulent Premixed Flames with Conditional Source-term Estimation”, Ph.D Thesis, The University of British Columbia, Vancouver, Canada, (2012).
[27] Ovink R., “Flamelet Modeling for Partially Premixed Turbulent Jet Diffusion Flames”, Ph.D Thesis, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, Netherlands, (1999).
[28] Goey de L.P.H., Land de H.C., “Quasi One-Dimensional Flames”, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, Netherlands, (1989).
[29] Land de H.C., “Modelling of Premixed Laminar Flames”, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, Netherlands, (1992).
[30] Blint R.J., The Relationship of the Laminar Flame Width to Flame Speed, Combust. Sci. Technol., 49: 79-92 (1986).
[31] Vancoillie J., Demuynck J., Galle J., Verhelst S., Oijen van J.A., A Laminar Burning Velocity and Flame Thickness Correlation for Ethanol–Air Mixtures Valid at Spark-Ignition Engine Conditions, Fuel, 102: 460-469 (2012).
[32] Yu G., Law C.K., Wu C.K., Laminar Flame Speeds of Hydrocarbon + Air Mixtures with Hydrogen Addition, Combust. Flame, 63: 339-347 (1986).
[33] Mathur S., Tondon P.K., Saxena S.C., Thermal Conductivity of Binary, Ternary and Quaternary Mixtures of Rare Gases, Molecular Phys., 12: 569-579 (1967).
[34] Gordon S., McBride B.J., Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions, Rocket Performance, Incident and Reflected Shocks and Chapman-Jouguet Detonations, NASA Report SP-273 (1971).
[35] Taylor R., Krishna R., “Multicomponent Mass Transfer”, John Wiley & Sons Inc., New York, USA, (1993).
[36] Dixon-Lewis G., Flame Structure and Flame Reaction Kinetics ΙΙ. Transport Phenomena in Multicomponent Systems, Proceedings Royal Soc. A, 307: 111-135 (1968).
[37] “JANAF, Thermochemical Tables”, National Standards Reference Data Series, Report NSRDS-NBS37 (1965).
[38] Frenklach M., Bowman C.T., Hanson R.K., Davidson D.F., Gardiner W.C., Lissianski V., Smith G.P., Golden D.M., Goldenberg M., “GRI-Mech. An Optimized Detailed Chemical Reaction Mechanism for Methane Combustion”, Gas Research Institute, Chicago, Illinois (1995).
[39] http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/version30/text30.html, Accessed 13 March (2020).
[40] Curtiss C.F., Hirschfelder J.O., Transport Properties of Multicomponent Gas Mixtures, J. Chem. Phys., 17: 550-555 (1949).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار