Konvansiyonel yakıcılarda biyogaz yanma karakteristiklerinin analizi
Analysis of biogas combustion characteristics in conventional burner
Yazar: MURAT ŞAHİN
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:
Bu çalışmada, mevcut konvansiyonel bir doğal gaz brülöründe,  farklı bileşenlere sahip biyogazların yanma davranışlarını araştırılmıştır. Bu çalışmanın sayısal bölümünde, biyogaz yanma analizleri için CFD programı kullanılmıştır. CFD modellemeleri gerçekleştirmek için PDF Karışım / Fraksiyon yanma modeli, Standard k- türbülans modeli ve P-1 radyasyon modeli kullanılmıştır. Elde edilen sıcaklık ve emisyon dağılım değerleri yanma odası boyunca eksenel ve radyal yönlerde birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Bunlara ek olarak, ön ısıtma yakma havasının, biyogaz yanma alev sıcaklıklarına olan etkisi mevcut çalışmada araştırılmıştır. Son olarak, SO2 emisyonları üzerinde biyogazların içeriğindeki H2S miktarının etkisi bu öngörüler çerçevesinde incelenmiştir. Bu çalışmanın deneysel kısmında, biyogazlar yanma sisteminde mevcut bir doğal gaz brülörü tarafından yakılmıştır. Bu yakma sisteminin, yanma duvarında emisyon ve sıcaklık verilerini alabilmek için ölçüm bağlantı noktaları vardır. Yanma odası boyunca bu ölçüm noktalarından bir baca gazı analizörü vasıtasıyla eksenel ve radyal pozisyonlarda sıcaklık ve emisyon değerleri ölçülmüştür ve incelenmiştir. Tüm deneyler ve sayısal modellemeler gibi sayısal çalışmalarda 10 kW ısıl güç Ø = 0.83 bir eşdeğerlik oranı olarak incelenmiştir. Tüm deneysel sıcaklık ölçümleri ile sayısal sonuçlar tatmin edici iyi bir uyum içindedir. Deneysel sonuçlarda , % 65 metan içeren biyogazın yanma alev sıcaklığı 1386 K olduğu tespit edilmiştir ve bu değer en yüksek yanma alev sıcaklık değeri olarak ölçülmüştür. Aynı yakma koşullarında metan alevi (1467 K) ile karşılaştırıldığında, bu değer kadar yüksek ve kabul edilebilir olduğu söylenebilir. Diğer biyogaz sıcaklık değerleri, içeriğindeki metan yüzdesi miktarı bağlı olarak, bu biyogazların yanma alev sıcaklık değerleri daha az ölçülmüştür. Biyogazların metana göre daha düşük alev sıcaklıklarına bağlı olarak NOX düzeyleri (25 ppm altında) olduğu ölçülmüştür ve bu metanın yanma sonucu NOX  emisyon sonuçlarına göre daha az olduğu sonucuna varılabilir. Ayrıca, yakıt içinde CO2 miktarına bağlı olarak(hacme göre en fazla % 43), yanma sonu ürünlerde CO2 emisyonlarının yüksek hacme neden olduğu kanıtlanmıştır.

Abstract:
The combustion behaviours of biogases including different components have been experimentally and numerically investigated in an existing conventional natural gas burner in this study. In the numerical part of this study, combustions of biogases have been modelled by a CFD code. The PDF Mixture/Fraction combustion model, standard k- turbulence model and P-1 Radiation model have been used in order to perform the modellings. Temperature and emission gradients have been obtained at axial and radial directions in the combustor and compared each other. In addition to these studies, the effect of the preheated air on the flame temperatures of the biogases has been investigated within the present study. Finally, the effect of H2S amount in biogas on SO2 emissions has been investigated within these predictions. In the experimental part of this study, the biogases were burned by the existing natural gas burner in a combustion system. This combustion system has measuring ports on its combustor wall. Temperature and emission values have been measured and investigated on some axial and radial positions by using thermocouples and a flue gas analyzer throughout the combustion chamber via these measuring ports. All experiments have been studied for a thermal power of 10 kW and an equivalance ratio of Ø = 0.83 as with numerical studies as with the numerical modellings. All experimental temperature measurements are in satisfactorily good agreement with the numerical results. The experimental results show that the maximum temperature value was measured and determined to be 1386 K for the biogas flame containing methane up to 65%. This value is high enough and acceptable when it is compared with the methane flame at the same combustion conditions (1467 K). The temperature values of the other biogases are less than that of this biogas temperature values due to including amount of methane percentage. It can be concluded that the NOX levels (under 25 ppm) of the biogases are less than that of the methane flame because of their low flame temperatures. It can also be demonstrated that the presence of CO2 in the fuels (up to 43 % by volume) leads to a high volume of CO2 emissions in combustion products.