Geliştirilen bir yakıcıda kömür gazlarının yanma karakteristiklerinin deneysel ve sayısal olarak araştırılması
Experimental and numerical investigations of combustion characteristics of coal gases in a developed combustor
Yazar: SERHAT KARYEYEN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kömürün uzun yıllar yetecek kadar rezervlerinin bulunduğu ve ülkemiz için yerli kaynak olduğu bilinmektedir. Ancak kömürün doğrudan kullanımı, gerek yakma zorlukları gerekse çevre kirliliği açısından çok uygun olmamaktadır. Bu nedenle, kömürlerin gazlaştırılması veya koklaştırma yan ürünleri ile elde edilen kömür gazlarının kullanımı oldukça yaygın bir hal almaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, farklı ısıl değerlere sahip kömür gazlarını yakabilecek yeni tip yakıcılar geliştirilmiş ve imal edilmiş olup, kömür gazları bu yakıcılar ile başarılı bir şekilde yakılmış ve kömür gazlarının, doğalgaza (metan) alternatif olabileceği değerlendirilmiştir. Geliştirilen yakıcılardan düşük kalorili kömür gazları için olan yakıcının merkezine bir boru yerleştirilerek aleve hidrojen beslemesi yapılmış ve böylece düşük kalorili kömür gazlarının yanma performanslarının arttırılması sağlanmıştır. Deneysel çalışmanın yanı sıra, yeni geliştirilen yakıcılar kullanılarak kömür gazları, bir HAD kodu yardımı ile sayısal olarak da modellenmiş, yanma ve emisyon karakteristikleri belirlenmiştir. Çalışmadan elde edilen ilk bulgu, en yüksek alev sıcaklığına metan alevi ile ulaşıldığıdır. Ancak, hidrojence zengin kömür gazları için yapılan alev sıcaklık ölçümleri de metana oldukça yakın sonuçlar vermiştir. Düşük kalorili kömür gazlarının yanma performanslarının mevcut halleri ile oldukça düşük oldukları belirlenmiş olup, yapılan hidrojen beslemesi ile alev sıcaklıklarının yaklaşık % 13 civarında arttığı deneysel çalışma ile ortaya konulmuştur. Deneysel çalışmadan elde edilen emisyon verileri değerlendirilecek olursa, hidrojence zengin kömür gazlarının içerdikleri serbest azottan dolayı, alevlerindeki NOX emisyon seviyeleri metana göre daha yüksek ölçülmüştür. Kömür gazlarının içerdikleri CO ve CO2, yanma sonu CO ve CO2 emisyonlarının yüksek olmasına sebep olurken, düşük kalorili kömür gazlarının alevlerine yapılan hidrojen beslemesi sayesinde su gazı değişim reaksiyonu ile CO daha hızlı reaksiyona girmiş ve CO2'e dönüşmüştür. Çalışmanın sayısal bölümünde ise, kömür gazlarının yanma ve emisyon karakterlerinin belirlenmesi için The PDF/Mixture Fraction yanma modeli, P-1 radyasyon modeli ve standard k-Ɛ türbülans modeli kullanılmıştır. Sıcaklık ve emisyon tahminleri ile deneysel sıcaklık ve emisyon ölçüm sonuçlarının birbirleri ile oldukça uyumlu oldukları görülmüştür. Yapılan hız tahminleri ile de yanma odası içerisindeki resirkülasyon (girdap) bölgeleri, yanma sonu ürünlerinin hızları ve yönleri tespit edilmiştir.

Abstract:
It is known that coal is an indigenous resource as well as it has large reserves for many years. However, direct usage of coal is not suitable in terms of burning challenges and environmental pollutions. For this reason, the usage of coal gases, which are obtained by coal gasification and carbonization by-products, are becoming common. New types of burners have been developed and manufactured to burn coal gases which have different heating values. These coal gases have been featly burned and it has been revealed that coal gases may be used instead of natural gas (methane). Hydrogen has been supplied into low calorific value coal gas flame via a hydrogen pipe of the center of low calorific value coal gas burner and in this way, combustion performances of the low calorific value coal gases have been improved. In addition to experimental studies, coal gases have been numerically modelled by using a CFD code. So, combustion and emission characteristics of these gases have been determined by modelling. The methane flame temperature is the highest value according to the study. Besides, the hydrogen-rich coal gas flame temperatures are very closer to that of the methane. It has been determined that the low-calorific value coal gas flame temperatures are relatively low in comparison to those of methane and hydrogen-rich coal gases. However, it has been found that the flame temperatures of the low calorific value coal gases increased up to 13 % when the hydrogen has been supplied into their flames. When emission measurements are evaluated, it can be said that NOX emissions of the hydrogen-rich coal gases are high compared to that of methane due to nitrogen in these coal gases. CO and CO2 in the coal gases contribute to CO and CO2 emissions. CO reacts with air and water vapor and generates CO2 due to water gas shift reaction when the hydrogen was supplied into the flame center of the low calorific value gases. In the numerical part of this study, The PDF/Mixture Fraction Combustion Model, P-1 Radiation Model and k-Ɛ standard turbulence model have been used in order to determine combustion characteristics of coal gases. Numerical results are in satisfactorily good agreement with experimental measurements. Recirculation zones, combustion product velocities and their directions have been determined by numerical results.