Fırın sisteminde hidrojen gazı katkılı doğal gaz yakıtlı proses brülörü yanma analizleri ve optimizasyonu
Hydrogen gas additive natural gas fuel combustion analysis and optimization of process burner in furnace system
Yazar: ONUR SALCI
Danışman: PROF. DR. SEMİHA ÖZTUNA
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Hidrojen gazı, evrende bol miktarda bulunan ve kütlece en yüksek ısıl değere sahip eşsiz bir yakıttır. Saf yanması sonucunda karbondioksit ve karbonmonoksit emisyon gazları oluşmamaktadır. Yanma sistemlerinde yakıt olarak doğal gaza hidrojen gazı katılmasının amacı, karbondioksit ve karbon monoksit emisyon gaz oranlarını azaltmaktır.
Hidrojen gazı, proses brülörlerde, doğal gaz ile belirli oranlarda katılarak bir yakıt katkısı olarak kullanılabilmektedir. Brülörün yanma başlığı bölümünde, hava ve gaz yakıtı yanma öncesi karıştırmak için türbülatör parçası kullanılmaktadır.
Endüstride mevcut kullanılan Ecostar FPB 200 gaz proses brülörü, bu tez çalışmasında bir test brülörü olarak kullanılmıştır. Brülör, SAB ve NT olarak isimlendirilen iki farklı türbülatör tasarımına sahiptir. Bu türbülatörlerin yanma performansları, 150 kW ısıl güçte, 1.2, 1.3, ve 1.4 hava fazlalık katsayılarında, doğal gaz ve hacimce % 5, % 10, % 15 ve % 20 hidrojen gazı karışımlı doğal gaz yakıt ile test ve simüle edilmiştir. Deneysel çalışmalar doğal gaz ve hidrojen gazı karışımlı yanma test sisteminde, nümerik çalışmalar ise Ansys Fluent HAD yazılımında yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda ölçülen değerler, sayısal hesaplamalar ve sonuçların karşılaştırılması için kullanılmıştır.
Deneysel çalışmalarda, yakma havası, doğal gaz ve saf hidrojen gazı hacimsel debileri doğal gaz ve hidrojen gazı karışımlı yanma deney sisteminde ölçülmüştür. Sıcaklık, basınç ve baca gazı emisyon değerleri, deney fırınında bulunan farklı noktalar üzerinden ölçülmüştür. HAD analizlerinden sağlanan sayısal ve görsel sonuçlar incelenip, deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.
Bu tez çalışmasında, sabit ısıl güçte ve hava fazlalık katsayısında, doğal gaz yakıta hidrojen gazı katılmasıyla sağlanan yanma için gerekli yakma havası debisi yakıttaki hidrojen gazı oranı arttıkça düşmüştür. Yanmada hidrojen gazının varlığı arttıkça, karbondioksit gazının oranında azalma, azot oksitler kirletici emisyon gazlarının oranında ve yanma sonucu oluşan sıcaklıklarda artış gerçekleşmiştir. Hava ve yakıt oranının arttırılmasıyla, azot oksitler kirletici emisyon gazlarının oranında ve yanma sonucu oluşan sıcaklıklarda düşüş sağlanmıştır. Türbülatörün yakıt ve hava karıştırma performansının yakıt cinsine bağlı olduğu görülmüştür. Her iki türbülatörde doğal gaz ve hava karışımı aynı değerlerde sağlanırken, hidrojen gazı katkılı yanmada NT türbülatörünün SAB türbülatörüne göre daha fazla hidrojen gazı karışımlı doğal gaz yakıt ve hava karışımını sağladığı sonucuna ulaşılmıştır. Dekarbonizasyon çalışmalarında, türbülatör değişimi ile yaklaşık % 28 oranında daha fazla karbondioksit gazı düşüşü sağlanmıştır.

Abstract:
Hydrogen gas is an unique fuel abundantly present in the universe and has the highest calorific value by mass. It does not produce carbon monoxide emission gases as a result of pure combustion. The purpose of adding hydrogen gas into natural gas at combustion systems as a fuel is to reduce the emission gas rates of carbon dioxide and carbon monoxide.
Hydrogen gas can be used as a fuel additive in process burners by adding it to natural gas in specific proportions by volume. In the combustion head section of the burner, a turbulator part is used to mix the air and gas fuel before combustion.
Ecostar FPB 200 gas process burner, which is currently used in the industry, was used in this thesis as a test burner. The burner has different two turbulator designs named as SAB and NT. Combustion performances of these turbulators were tested and simulated at 150 kW thermal power by burning fuel as natural gas and hydrogen gas added to natural gas as 5 %, 10 %, 15 % and 20 % by volume at 1.2, 1.3, and 1.4 excess air coeffients. Experimental studies were carried out in the combustion test system with a mixture of natural gas and hydrogen gas, and numerical studies were carried out in Ansys Fluent CFD software. In experimental studies, the measured values were used for numerical calculations and comparing the results.
In experimental studies, volumetric flow rates of combustion air, volumetric flow rates of natural gas and pure hydrogen gas were measured in a combustion test system with a mixture of natural gas and hydrogen gas. Temperature, pressure and flue gas emission values were measured over different points in the test furnace. The numerical and visual results obtained from CFD analyzes were examined and compared with the experimental results.
In this thesis, for the combustion achieved by adding hydrogen gas to natural gas fuel at constant heat power and excess air ratio, the required combustion air flow rate decreased as the hydrogen gas ratio in the fuel increased. As the presence of hydrogen gas increased in combustion, there was a reduction in the proportion of carbon dioxide gas, an increase in the ratio of nitrogen oxide pollutant emission gases, and an increase in the temperatures resulting from combustion. Increasing the air-fuel ratio led to a decrease in the ratio of nitrogen oxides pollutant emission gases and temperatures resulting from combustion. It was observed that the performance of the turbulator in fuel and air mixing depended on the type of fuel. While the natural gas and air mixture were provided at the same values in both turbulators, the NT turbulator provided a higher mixture of hydrogen gas, natural gas fuel, and air compared to the SAB turbulator in hydrogen gas added natural gas combustion. In the decarbonization studies, approximately 28% more carbon dioxide gas reduced by changing the turbulator.