تحلیل حرارتی و بررسی کارکرد فرآیند احتراق بدون شعله در مشعل و کوره صنعتی دما بالا با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات دانشگاه آزاد، تهران، ایران

چکیده

کوره‌های عملیات حرارتی همواره در سیستم‌های پالایشگاهی و پتروشیمیایی از اهمیت بسزایی برخوردار بوده است. صدور حجم عظیمی از آلاینده‌های زیست محیطی مانند اکسیدهای نیتروژن و کربن‌دی‌اکسید در کنار هزینه‌های مربوط به تعمیرات و بازدیدهای ادواری، موجب توجه بیشتر به مقوله بهینه‌سازی در کوره‌ها شده است. احتراق بدون شعله به عنوان فرآیندی نوظهور، با داشتن ویژگی‌هایی از قبیل کاهش صدور گازهای آلاینده، توزیع یکنواخت دما درکنار کاهش تنش‌های گرمایی و آلودگی‌های صوتی در مشعل، نویدبخش ایجاد تغییر در سیستم‌های احتراقی معمولی و حرکت آنها به سمت کاهش آلایندگی و هزینه‌های عملیاتی و نگهداری شده است. در این مطالعه مشعل ساخته شده توسط شرکت تولیدی و مهندسی شعله صنعت، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در شرایط هوای پیش گرم و غلظت اکسیژن 3 و 6% مورد بررسی و ظرفیت‌سنجی در شرایط بدون شعله قرار گرفت. مشخصه های احتراق بدون شعله در مشعل حاصل شد و در مقایسه با احتراق معمولی، نقاط بیشینه دمایی کاهش یافت و نیم رخ دمایی کوره یکنواخت‌تر گردید. همچنین در حالت 6% میزان جزء جرمی ترکیبات اکسیدهای نیتروژن و کربن دی اکسید به ترتیب حدود 400 و 3000 مرتبه با کاهش مشاهده شد، در حالت 3% نیم رخ دمایی یکنواخت‌تر و جزء جرمی اکسیدهای نیتروژن کمتر حاصل گردید.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Thermal and Performance Analysis Flameless Combustion Process in a High Temperature Industrial Furnace Using Computational Fluid Dynamics

نویسندگان [English]

  • Sajad Jabbari neek
  • Mohamma Reza Jafari Nasr
Chemical Engineering Department, Islamic Azad University, Science and Research Branch, Tehran, Iran
چکیده [English]

Heat treatment furnaces play an important role in refinery and petrochemical systems. The emission of a huge amount of environmental pollutants such as nitrogen oxides (NOx) and carbon dioxide (CO2), along with the cost of repairs and periodic overhauls have given more attention to the optimization of the furnaces. Flameless combustion as a newly emerging process, with features such as reducing emissions of pollutant gases, uniform distribution of temperature profile along with reducing thermal stresses, and noise pollution in the torch, promising to change the conventional combustion systems and move them toward emission, operational, and maintenance costs reduction. In this study, the burner made by Sholeh-Sanat Company was investigated using the computational fluid dynamics under pre-heating conditions and oxygen concentrations of 3 and 6%. The furnace performance was considered in steady flameless conditions with eddy-dissipation concept (EDC). Flameless combustion characteristics were obtained in the torch and compared to conventional combustion; moreover, the temperature peaks were eliminated, and the temperature profile became more uniform. Also, in the 6% state, the mass fraction of nitrogen oxides and carbon dioxide compounds were observed to be about 400 and 3000 times decreasing respectively. Working under 3% mode, more uniform temperature profile and less nitrogen oxides were observed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flameless Combustion
  • Nitrogen Oxide Reduction
  • Computational Fluid Dynamics (CFD)- Eddy Dissipation Concept (EDC)
[8]. Delacroix F., “The flameless oxidation mode,” ADEME (French Agency for energy and environment management).
[9]. Weber R. and Smart J. P., “On the (MILD) combustion of gaseous, liquid, and solid fuels in high temperature preheated air,” Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 30: pp. 2623-2629, 2005, .
[10]. He Y., “Flameless combustion of natural gas in the SJ/WJ furnace,” Thesis for Doctor of Philosophy Queen's University 2008.
[11]. Cavaliere A. and De Joannon M., “Mild combustion,” Prog. Energy Combustion Science, Vol. 30: pp. 329-366, 2004.
[12]. Minamoto Y., “Physical aspects and modelling of turbulent MILD combustion,” A Thesis Submitted for the Degree of Doctor of Philosophy at University of Cambridge, 2013.
[13]. Dally B. B., Riesmeier E. and Peters N., “Effect of fuel mixture on moderate and intense low oxygen dillution combustion,” Combustion and Flame, Vol. 137, Issue 4, pp. 418-431 June 2004.
[14]. Oldenhof E., Tummers M. J., van Veen E. H. and Roekaerts D. J. E. M., “Role of entrainment in the stabillisation of jet in hot coflow flames,” Combustion Flame, 158: pp. 1553-1563, 2011.
[15]. Christo F. C. and Dally B. B., “Modeling turbulent reacting jets issuing into a hot and diluted coflow,” Combustion and Flame, Vol. 142, Issues 1–2, pp. 117-129, July 2005.
[16]. Xing F., Kumar A., Huang Y., Chan Sh., Ruan C., Gu S. and Fan X., “Flameless combustion with liquid fuel: A review focusing on fundamentals and gas turbine application,” Applied Energy, pp. 28-51, 2017.
[17]. Tsuji H., A. K. G., Hasegawa T., Katsuki M., Kishimoto K. and Morita M., “High temperature air combustion: from energy conservation to pollution reduction,” in CRC Press. Japan, 2003.
[18]. Li P. F., J. Ch. Mi, Dally B. B., Wang F. F., L. Wang, Liu Zh. H., Chen Sh. and Zheng Ch. G., “Progress and recent trend in MILD combustion,” Sci. China. Technol. Vol. 54, pp. 255-69, 2011.
[19]. Awosope I. O. and F Lockwood. C., “Prediction of combustion and NOx emission characteristics of flameless oxidation combustion,” IFRF Combustion Journal, 2005.
[20]. Wuenning. J. A. W. a. J. G., “Flameless oxidation to reduce thermal NO formation,” Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 23, Issue 1, pp. 81-94, 1997.
[21]. Company A. Ansys Documentation, “User guide”.
[22]. Zel'dovich Y. B., “The oxidation of nitrogen in combustion to reduce thermal no-formation,” Acta Physiochimica U.S.S.R., 1946.
[23]. Miller J. A. and Bowman C. T., “Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion,” Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 15, Issue 4, pp. 287-338, 1989.
[24]. Dagaut P., Glarborg P. and Alzueta M. U., “The oxidation of hydrogen cyanide and related chemistry,” Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 34, Issue 1, pp. 1-46, 2008, .
[25]. Hosseini S. E. and Abdul Wahid M., “Investigation of bluff-body micro-flameless combustion,” Energy Conversion and Management, Vol. 88, pp. 120–128, 2014.
[26]. Hosseini S. E., Bagheri G. and Wahid M. A., “Numerical investigation of biogas flameless combustion,” Energy Conversion and Management, Vol. 81: pp. 41-50, 2014.