Amonyak-hidrojen ve amonyak-kömür gazı karışımı kompozit yakıtların yanma ve emisyon davranışlarının incelenmesi
Investigation of combustion and emission behaviors of ammonia-hydrogen and ammonia-coal gases mixture composite fuels
Yazar: OZAN KEKÜL
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Amonyak = Ammonia ; Emisyon = Emission ; Hidrojen = Hydrogen ; Kömür yatakları = Coal deposit ; Yanma = Combustion

Özet:
Amonyak, kütlece %17,8 oranında hidrojen içeriği ile fosil yakıtlara alternatif olması açısından umut verici bir enerji kaynağıdır. Bununla birlikte, amonyağın yanma performansı ile fosil yakıtların yanma performansı kıyaslandığında, dar alevlenebilirlik limiti, düşük yanma hızı ve alev sıcaklığı gibi aşılması gereken bazı zorluklar mevcuttur. Bu tez kapsamında, ülkemiz şartları dahilinde üretilmesi mümkün olan amonyağın yanma performansının geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, kömür gazları kullanılmış ve tamamen yerli kaynaklar ile elde edilebilen amonyak-hidrojence zengin kömür gazları yakıt karışımlarının yanma ve emisyon davranışları HAD kodu yardımı ile sayısal olarak incelenmiştir. Bununla birlikte, amonyak-hava karışımı içerisine yapılan HZKG ilavesinin etkilerinin daha detaylı olarak irdelenmesi amacıyla, amonyak-hidrojen yakıt karışımları ve amonyak-hava karışımı için de çalışmalar yapılmış olup, elde edilen sonuçlar birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Böylece, amonyak-hava karışımı içerisine yapılan HZKG ilavesinin, amonyak-hava karışımının yanma ve emisyon performansı açısından hidrojen eklentisine göre ne ölçüde alternatif olabileceği değerlendirilmiştir. Deneysel çalışmalar sırasında amonyak-hava karışımı için kararlı bir alev elde edilmesi, brülöre yapılan hidrojen beslemesi ile öncelikle bir pilot alev meydana getirilmesiyle mümkün olmuştur. Amonyak-hava karışımına yapılan hidrojen ilavesi, amonyak-hava karışımının reaktivitesi, alev sıcaklığı ve yanma hızı gibi özellikleri üzerinde pozitif etkiler meydana getirmiştir. Buna karşın, hidrojen miktarının artmasıyla, yanma odası boyunca meydana gelen NO emisyonları yükselmiştir. Diğer taraftan amonyak-hava karışımı içerisine yapılan HZKG ilavesi de yanma odası içerisindeki sıcaklık seviyelerini yükseltmiştir. Bununla birlikte, KFG ile karıştırma, SG ile karıştırmaya göre daha iyi bir yanma performansı meydana getirmiştir. Ayrıca, amonyak-hava karışımına yapılan HZKG ilavesi, yanma odası boyunca tahmin edilen emisyonlarının yükselmesine neden olmuştur. NO emisyon oluşumu açısından da KFG ile karıştırma daha olumlu sonuçlar vermiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması ile, HZKG ilavesinin, amonyak-hava karışımının yanma performansını yükseltmede, özellikle yanma odası boyunca meydana gelen sıcaklık dağılımı ve NO emisyonları açısından hidrojene karşı iyi bir alternatif olabileceği ortaya konulmuştur.

Abstract:
Ammonia is a promising energy carrier in terms of being an alternative to the fossil fuels with the high hydrogen storing capability. However, when the combustion performances of ammonia and the traditional fossil fuels compared, it can be said that there are some drawbacks that should be negotiated for the combustion of ammonia such as narrow flammability limit, low burning velocity and flame temperature. In this thesis, it was aimed to enhance the combustion performance of ammonia that can be produced in our country. For this purpose, the hydrogen rich coal gases (HRCG) were used and the combustion and emission behaviors of Ammonia-HRCG fuel mixtures were investigated via CFD code. Besides, in order to scrutinize the effects of adding HRCG into ammonia-air mixture in more detail, the studies were also conducted for ammonia-hydrogen-air and ammonia-air mixtures and the obtained results were compared with each other. Thus, it was evaluated to what extent the HRCG addition into ammonia-air mixture can be an alternative to the hydrogen addition in terms of the combustion and emission performance of ammonia-air mixture. During the experiments, a pilot flame was generated by feeding ammonia into the burner firstly, hence, a stable flame could be achieved for ammonia-air mixture via this strategy. The hydrogen addition into ammonia-air mixture provided positive effects on the reactivity, flame temperature and burning velocity of ammonia-air mixture. However, the NO emissions emerged in the combustor promoted with the increasing amount of hydrogen in the fuel mixture. On the other hand, the addition of HRCG into ammonia-air mixture increased the temperature values in the combustor, as well. Besides, mixing with coke oven gas introduced a better combustion performance in comparison to the mixing with water gas. However, the addition of HRCG into ammonia-air mixture caused to increase the NO emissions predicted in the combustor. The mixing with coke oven gas provided more positive results in terms of NO formation. To sum up, in scope of this thesis, it was revealed that the addition of HRCG can be a good alternative to hydrogen for increasing the combustion performance of the ammonia-air mixture, especially in terms of temperature distribution and NO emissions throughout the combustor.