Kare gaz brülör-kazan sistemlerinde yanma ile emisyon analizleri ve optimizasyon
Combustion and emission analysis of square body burner–boiler systems and system optimisation
Yazar: MUSTAFA KEMALETTİN BÜYÜKAKIN
Danışman: PROF. DR. SEMİHA ÖZTUNA
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Brülör = Burner ; Emisyon = Emission ; Optimizasyon = Optimization

Özet:
Bu çalışmada ön karışımsız bir doğal gaz brülörü ve bu brülörün kullanıldığı karşı basınçlı test kazanı deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. İlk olarak deneysel çalışmalar sabit yakıt tüketiminde farklı hava fazlalık katsayılarının kullanılmasıyla ve sabit hava fazlalık katsayısı değerinde farklı yakıt tüketim değerlerinin sağlanmasıyla gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar sabit rejim koşulları altında yapılmıştır. Baca gazı emisyon değerleri ve baca gazı sıcaklık değerleri ölçülmüştür ve kayıt altına alınmıştır. Deneysel çalışmaların ardından nümerik çalışmalara geçilmiştir. Nümerik çalışmalar için Fluent yazılımı kullanılmıştır. Nümerik çalışmalarda farklı yanma modelleri kullanılmıştır ve elde edilen sonuçlar deneysel sonuçlar ile baca gazı emisyon ve sıcaklık değerleri bakımından kıyaslanmıştır. Deneysel verilerle tutarlı sonuçların elde edilmesinin ardından, yine Fluent yazılımı kullanılarak brülör başlık yapısındaki değişimlerin yanma odasındaki alev yapısı ve baca gazı emisyon değerleri üzerindeki etkileri çıkarılmıştır. Yapılan farklı tasarımlara göre en uygun brülör başlık yapısı NOX emisyonlarının indirgenmesi yönünde belirlenmiştir. Ayrıca orijinal brülör başlık yapısının kullanılması ile metan yakıtına hidrojenin farklı oranlarda eklenmesi doğrultusunda, yanma parametrelerinde meydana gelen değişimler çıkarılmıştır. Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki, literatürde var olan birçok çalışmanın aksine, metana belirli bir orana kadar olan hidrojen ilavesi karşı basınçlı bir kazan kullanımı durumunda NOX emisyonlarını düşürebilmektedir. Çalışmada en uygun hidrojen katkı oranı NOX emisyonlarının minimize edilmesi yönünden belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, a non-premixed natural gas burner and its back-pressure boiler were investigated experimentally and numerically. The experimental studies were performed under the constant fuel consumption rate condition while changing the air excess ratio coefficient, and under the constant air excess ratio coefficient condition while changing the fuel consumption rate. The steady state conditions were maintained for the experimental studies. The flue gas emissions and the flue gas temperature values were the parameters to be measured. After the experimental studies, the numerical studies were conducted. The Fluent code was used as the simulation tool. The different combustion models were utilised for the numerical studies. The obtained numerical results were confronted with the experimental results as the flue gas emission and temperature values. After the validation of the numerical results, the effect of the burner head structure on the diffusion flame structure and the flue gas emissions were investigated numerically. The most proper burner head structure was determined in terms of obtaining the lowest NOX emission level in the flue gas. In addition, the effect of the hydrogen-enrichment of pure methane on the diffusion flame structure and the emissions was studied numerically while using the original burner head structure. Unlike the most of the results from the research studies in the literature, the obtained results show that the hydrogen-enrichment of pure methane has the potential of reducing the NOX emissions in a back-pressure combustion chamber, up to a certain ratio of hydrogen-enrichment.