مدل سازی اکسایش جزیی متان در میکرو راکتور محیط متخلخل برای تولید هیدروژن

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه نصیر الدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

با توجه به قانون­ های سختی که برای کاهش ‌آلودگی احتراق و کنترل وضع شده‌اند ضروری است رویکرد تازه­ای را برای تأمین انرژی در آینده در نظر گرفت. بر همین اساس هیدروژن می­ تواند به عنوان سوخت جایگزین سوخت­ های فسیلی معرفی می‌شود زیرا این منبع انرژی بسیارسازگار با محیط زیست می‌باشد و هنگامی که به­ عنوان سوخت با اکسیژن واکنش می‌دهد، تنها آب تولید می‌کند. همچنین، هیدروژن یک ذخیره شیمیایی مهم در بسیاری از صنایع شیمیایی می‌باشد. فرایند اکسایش جزیی هیدروکربن ها یکی از کاربردهای مهم احتراق در درون یک محیط متخلخل برای تولید گاز سنتز و تولید هیدروژن می ­باشد. با توجه به روش­ های گوناگون صنعتی برای تولید هیدروژن در ظرفیت های بالا ، توجه به فرایندهایی که در ظرفیت کوچک بوده و از نظر اقتصادی مناسب باشد معطوف شده است . فرایندهای اکسایش جزیی در بستر محیط متخلخل از جمله این فرایندها می ­باشد. در این مطالعه ضمن بررسی نظری اکسایش جزیی متان در محیط متخلخل، مدل­ سازی برای یک راکتور لوله­ ای پر شده از مواد محیط متخلخل، انجام شد. در مرحله بعد بررسی اثرهای شرایط محیط متخلخل شامل ویژگی ساختاری مواد مانند  قطر ذره­ ها، میزان تخلخل و همچنین تغییرهای فیزیکی راکتور شامل قطر و طول راکتور،  و سرانجام نسبت هم ارزی سوخت و هوا و تغییرهای شدت جریان ورودی سوخت با رویکرد بر تولید بیش­تر هیدروژن انجام می­ شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Parthasarathy P., Sheeba Narayanan K., Hydrogen Production from Steam Gasification of Biomass: Influence of Process Parameters on Hydrogen Yield -A Review, Renewable Energy, 66: 550-579 (2014)
[2] Trimis D., Durst F., Combustion in a Porous MediumAdvances and Applications, Combust. Sci. Technol., 68: 121-153 (1996)
[3] Al-Hamamre Z., Trimis D., Wawrzinek K., Hydrogen Production by Thermal Partial Oxidation of Methane in Porous Burners, International Journal of Hydrogen Energy, 35(11): 5367–5377 (2010)
[4] Babkin V., Filtrational Combustion of Gases. Present State of Affairs and Prospects. Pure Appl. Chem., 44: 335-344 (1993)
[5] Pedersen-Mjaanes H., Chan L., Mastorakos E., Hydrogen Production From Rich Combustion in Porous Media. International Journal of Hydrogen Energy, 30(6): 579-92 (2005)
[6] Pedersen-Mjaanes H., Mastorakos E., Optimization of Hydrogen Production from Rich Combustion of Methane in Porous Media, Proceedings of the European Combustion Meeting, (2005).
[7] Hsu P.F., Hoewll J.R., Mettews R.D., A Numerical Investigation of Premixed Combustion within Porous Inert Media, ASME J. of Heat Transfer, 115(3): 744-750 (1993)
[8] Howell J.R., Hall M.J., Ellzey J.L., Combustion within Porous Inert Medium, ASME HTD, Heat Transfer in Porous Media and Two-Phase Flow, 302: 1-21 (1995.)
[9] Miguel A.A. Mendes, Jose´ M.C. Pereira, Jose´ C.F. Pereira, Numerical Study of Methane TPOX Within a Small Scale Inert Porous Media Based Reformer, International Journal of Hydrogen Energy, 39(9): 4311-4321 (2014)
[10] Stelzner B., Keramiotis Ch., Voss S., Founti M.A., Trimis D., Analysis of the Flame Structure for Lean Methane–Air Combustion in Porous Inert Media by Resolving the Hydroxyl Radical, Proceeding of Combustion Institute, 35(3): 3381- 3388 (2015)
 [12] Brenner G., Pikenacker K., Pikenacker O., Trimis D., Wawrzinek K., Weber T., Numerical and Experimental Investigation of Matrix-Stabilized Methane/Air Combustion in Porous Media, Combust. Flame, 123(1-2): 201-213 (2000)
[13] Pan H.L., Pickenäcker O., Pickenäcker K., Trimis D., Weber T., "Experimental Determination of Effective Heat Conductivities of Highly Porous Media", 5th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers, Porto, 11-14 (2000)
[14] Malico I., Pereira J.C.F., Numerical Study on the Influence of Radiative Properties in Porous Media Combustion, ASME Journal of Heat Transfer, 123(5): 951-957 (2001)
[15] Susie W., Harris A.T., Porous Burners for Lean-Burn Applications, Progress in Energy and Combustion Science, 34(5): 667-684 (2008)
[16] Abdul Mujeebu M., Abdullah M.Z., Abu Bakar M.Z., Mohamad A.A., Muhad R.M.N., Abdulah M.K., Combustion in Porous Media and Its Applications-A Comprehensive Survey, Journal of Environmental Management, 90(8): 2287-2312 (2009)
 [17] Al-Hamamre Z., Voss S., Trimis D., Hydrogen Production by Thermal Partial Oxidation of Hydrocarbon Fuels in Porous Media Based Reformer. International Journal of Hydrogen Energy, 34(2): 827-832 (2009)
[18] Zhdanok S.A., “Porous Media Combustion Based Hydrogen Production”, European Combustion Meeting, (2003).
[19] M.R. Henneke, J.L.  Ellzey,  Modeling of Filtration Combustion in a Packed Bed. Combust. Flame, 117(4): 817-832 (1999)
[20] Dhamrat R.S., Ellzey J.L., Numerical and Experimental Study of the Conversion of Methane to Hydrogen in a Porous Media Reactor, Combust Flame, 144(4): 698-709 (2006)
[21] Kee R.J., Grcar J.F., Smooke M.D., Miller J.A., “A FORTRAN Program for Modeling Steady Laminar one-Dimensional Premixed Flames”. Sandia National Laboratories Report, SAND 85-8240 (1988)
[22] Hsu P.F., Matthews R.D., The Necessity of Using Detailed Kinetics in Models for Premixed Combustion Within Porous Media. Combust. Flame, 93(4): 457-466 (1993)
[23] Babkin V.S., Propagation of Premixed Gaseous Explosion Flame in Porous Media. Combust. Flame, 87(2): 182-190 (1991)
[24] Takeno T., Sato K., An Excess Enthalpy Theory. Combust Sci Technology,20(1-2): 73-84 (1979)
[25] Vafai K., “Handbook of Porous Media”, 3rd ed., Taylor & Francis Group (2015).
[26] Lari  H.R., Shahnazari M.R., Experimental Investigation of Methane Partial Oxidation for Hydrogen Production, Journal of Energy Management and Technology (JEMT). 2(1-20): 1712-1051 (2018)