Model bir gaz türbini yanma odasında kömür gazları yanma davranışının sayısal analizi
Numerical analysis of the combustion behaviour of coal gases in a gas turbine model combustor
Yazar: SERHAT KARYEYEN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında model bir gaz türbini yanma odasında, kömürlerden farklı yöntemlerle elde edilen kömür gazlarının yanma ve emisyon karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Ayrıca, yanma odası için referans alınan ve işletmede olan gaz türbini için enerji ve ekserji analizi yapılmıştır.
Gaz türbinlerinde genellikle doğalgaz kullanılmaktadır ve doğalgazın da büyük bir bölümü metandan oluşmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında model yanma odasında referans yakıt olarak öncelikle metan yanma modellemesi gerçekleştirilmiş ardından kömürlerin koklaştırılması ve gazlaştırılması ile elde edilen kok fırını gazı, şehir gazı I, şehir gazı II, su gazı ve jeneratör gazının yanma modellemeleri de aynı yanma şartları için gerçekleştirilmiştir. Metan ve kömür gazları 2 farklı ısıl güç için (40 kW ve 60 kW) ve farklı hava fazlalıkları için (?=1,1, ?=1,3 ve ?=1,5) modellenmiş, bu modellemeler için de iki farklı model (seyreltmesiz ve seyreltmeli) gaz türbini yanma odası kullanılmıştır.
Yanma, önce 3-boyutlu, ardından 2-boyutlu ve eksenel simetrik olarak modellenmiştir. Yanma modellemesi için ANSYS Fluent sayısal akışkan dinamiği çözücü programı kullanılmıştır. Modellemede kullanılan türbülans modeli k-? türbülans modelidir. Yanma modellemesi için `?The PDF/Mixture Fraction?? yanma modelidir. Çalışmada kullanılan radyasyon modeli P-1? dır.
Modelleme sonucunda elde edilen yanma ve emisyon karakteristikleri değerlendirildiğinde, metana en yakın sıcaklık seviyeleri, kok fırını gazı, şehir gazı I ve II yanmaları sonucunda ulaşılmıştır. Diğer iki kömür gazının yanma performansları metanın yanma performansının biraz uzağında kalmıştır. Emisyonlar incelendiğinde ise kok fırını gazı, şehir gazı I ve şehir gazı II yanma sonu NOX oluşumları metana göre çok yüksek seviyelerde tahmin edilmiş, ancak bu problem seyreltme havasının yanma odasına gönderilmesiyle aşılmış ve ?=1,5 yanma şartları için NOX seviyeleri metan yanmasında açığa çıkan NOX seviyelerinin altına inmiştir. CO ve CO2 değerlendirildiğinde ise, kömür gazlarının bünyesindeki CO gazı yanma odası boyunca tükenmiş ve yanma odası çıkışında CO gözlemlenmemiştir. Yanma odası çıkışında CO2 oluşumları ise genel olarak metan gazı seviyelerindedir.

Abstract:
In this thesis, combustion and emission characteristics of coal gases are numerically investigated in a model gas turbine combustor. In addition, Energy and exergy analyses of the existing gas turbine were performed in this study. 
Gas turbines are generally operated using natural gas and the major component of natural gas is methane. Within the scope of this study, the pure methane as baseline fuel was firstly modelled. Then, coal gases, which are called coke oven gas, town gas I, town gas II, water gas and generator gas, were modelled under the same operating conditions. These operating conditions were two different heat powers (40 kW and 60 kW) and excess air ratios (?=1,1, ?=1,3 ve ?=1,5) and two type model combustors were performed for numerical simulations.
The combustor was modelled firstly as 3-dimensional and then 2-dimensional and axisymmetrical. Modelling has been performed by using ANSYS Fluent CFD code. Mathematical models used in this study include the k-? model of turbulent flow, the PDF/Mixture Fraction model of non-premixed combustion (turbulent diffusion flame) and P-1 of radiation model.
Predictions were evaluated in terms of combustion and emission characteristics. In comparision with methane, the best predicted temperature levels were for coke oven gas, town gas I and town gas II. The other fuels comprise lower heating value. For this reason, the predicted temperature levels were also lower. When emissions were evaluated for coke oven gas, town gas I and town gas II, the combustion characteristics were not satisfactorily good in that excessive NOX in accordance with methane was emitted. But, this problem was achieved supplying by dilution air to the combustor. After this process, the combustion performances of these coal gases were better than the combustion performance of methane in terms of NOX formation at ?=1,5 combustion conditions anymore. Moreover, CO and CO2 were evaluated for all gases. CO including in coal gases were burned throughout the combustor and it was not predicted at the combustor exit. CO2 formations for all coal gases generally was near the metane at the combustor exit.