Ön karışımlı bir yakıcıda kok fırını gazı renksiz dağıtılmış yanma karakteristiklerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of coke oven gas colorless distributed combustion characteristics in a premixed combustor
Yazar: SEZGİN TAŞDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. SERHAT KARYEYEN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Reaksiyon kinetiği = Reaction kinetics ; Yanma = Combustion ; Yanma modelleri = Combustion models

Özet:
Gittikçe artan enerji ihtiyacından dolayı küresel bir tehditle karşı karşıya kalan dünyada, sahip olunan enerji kaynakları verimli kullanılmalıdır. Fosil yakıt olan kömür rezervleri ülkemizde de fazlaca bulunmasına rağmen, kömürün taşınma zorluğu, yakıcı maliyeti, yanma sonu kirletici emisyon fazlalığı nedeniyle doğrudan kullanılması elverişli olmayabilir. Yanma şartları daha kolay olan gaz yakıtların kirletici emisyon değerlerinin de daha az olmasından dolayı bu çalışmada katı yakıt olan kömürün koklaştırılmasından elde edilen yan ürün kok fırını gazı kullanılmıştır. Kok fırını gazı 10 kW ısıl güce sahip bir yakıcıda, hava fazlalık katsayısı λ = 1,2 şartlarında tüketilmiştir. Ayrıca ön karışımsız yakıcıya göre hava-yakıt karışımını daha çok artıran ve dinamik basınç değişimlerini azaltan ön karışımlı yakıcının, yanma sonu oluşan NO emisyon seviyesini ve yanma gürültüsünü azaltacağı beklentisiyle bu çalışmada yakıt ön karışımlı olarak tüketilmiştir. Daha ekonomik ve enerji tasarrufu olması açısından yanma simülasyonları kullanmak yeni bulgulara kılavuzluk sağlayabilir. Bu amaçla deney düzeneği ticari bir HAD kodu ile üç boyutlu olarak modellenmiştir. Eddy Dissipation Concept yanma modeline GRI-Mech 3.0 kimyasal kinetiği yardımıyla oluşturulan 162 basamaklı reaksiyonlar entegre edilmiştir. Standard k-Ɛ türbülans modeli ve P-1 radyasyon modeli de sisteme dahil edilerek yanma sonu oluşan sıcaklık ile NO değerleri deneysel sonuçlarla karşılaştırılmış ve iyi bir benzerlik yakalanmıştır. Yüksek oranda H_2 içeren kok fırını gazının, yanma sırasında yüksek oranda NO_X oluşturacağı beklentisine karşı, renksiz dağıtılmış yanma yöntemi üzerinde de irdeleme yapılmıştır. Bu yöntem uygulanırken, hava içerisindeki O_2 oranı %21'den azalacak şekilde N_2 veya CO_2 seyrelticileri artırılarak sıcaklık dağılımı, yanma sonu oluşan NO, CO ve CO_2 emisyonları incelenmiştir. Sonuçlarda daha düşük maksimum sıcaklık ve daha homojen termal alanın elde edildiği, NO seviyelerinde önemli ölçüde düşüşün olduğu görülmüştür. Seyreltici olarak CO_2 kullanmanın sıcaklık dağılımı ve NO azalması açısından daha etkili olduğu, CO azalması açısından ise N_2 ile seyreltmenin daha etkili olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In the world, which is facing a global threat due to the ever-increasing energy need, the energy resources should be used efficiently. Although coal reserves, which are fossil fuels, are abundant in our country, it may not be convenient to use coal directly due to the difficulty of transportation, the cost of combustor, and the excess of post-combustion pollutant emissions. Since the gaseous fuels, which have easier combustion conditions, have lower pollutant emission values, the by-product coke oven gas obtained from the coking of the solid fuel coal was used in this study. The coke oven gas was consumed in a burner with a thermal power of 10 kW, at conditions of excess air coefficient λ = 1,2. In addition, the premixed burner, which increases the air-fuel mixture more and reduces the dynamic pressure changes compared to the non-premixed burner, is consumed as premixed fuel in this study, with the expectation that it will reduce the NO emission level and combustion noise after combustion. In terms of being more economical and energy efficient, using combustion simulations can guide new findings. For this purpose, the experimental setup was modeled in three dimensions with a commercial CFD code. The Eddy Dissipation Concept combustion model integrates 162-step reactions created with the help of GRI-Mech 3.0 chemical kinetics. Standard k-Ɛ turbulence model and P-1 radiation model were also included in the system, and the temperature and NO values after combustion were compared with the experimental results and a good similarity was achieved. Against the expectation that the coke oven gas containing high H_2 will generate high NO_X during combustion, the colorless distributed combustion method has also been examined. While applying this method, the temperature distribution, NO, CO and CO_2 emissions after combustion were investigated by increasing the N_2 or CO_2 diluents so that the O_2 ratio in the air would decrease from 21%. In the results, it was observed that lower maximum temperature and more homogeneous thermal field were obtained, and there was a significant decrease in NO levels. It was concluded that using CO_2 as a diluent is more effective in terms of temperature distribution and NO reduction, while dilution with N_2 is more effective in terms of CO reduction.