محاسبه سیستم بهینه احتراق ناقص متان در محیط متخلخل جهت دست‎یابی به درصد هیدروژن بیشینه: بررسی تجربی و دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین‌طوسی، تهران، ایران

10.22078/pr.2018.3079.2425

چکیده

روش‎های مختلفی برای تولید هیدروژن به‎عنوان سوخت آینده وجود دارد. روش‌های تولید هیدروژن از سوخت‎های هیدروکربونی از اقتصادی‎ترین این روش‎‌ها به‌شمار می‌روند. اگرچه اکثر این فرآیندها به‎صورت کاتالیستی انجام می‌شوند اما به‎صورت ذاتی دارای معایب متعددی از قبیل تخریب کاتالیست‎ها، سیستم پیچیده، پاسخ آهسته و هزینه بالا هستند. از روش‎های جایگزین که اخیرا مورد توجه قرار گرفته‌است می‎توان به استفاده از فرآیند اکسیداسیون جزئی هیدروکربن‎ها با استفاده از شعله سوپرآدیاباتیک در محیط متخلخل بی‎اثر در حالت غنی و فوق‌غنی سوخت اشاره نمود. در این مقاله ضمن ارائه نتایج تجربی حاصل از آزمایش، نتایج شبیه‌سازی عددی یک مشعل محیط متخلخل محتوی ذرات کروی آلومینا ارائه و با نتایج تجربی مقایسه شده‌است. با در نظرگرفتن یک محدوده ناپیوسته مناسب برای هر یک از پارامترهای ورودی، یک فضای حالت برای آزمون‎ها و محاسبات ایجاد شده و به‎ازای مجموعه حالت‌های موجود، نتایج به‎دست آمده‎اند. همچنین براساس مجموعه داده‎ها، شرایط تولید بیشینه کسر مولی هیدروژن و سایر محصولات و بیشینه نسبت تبدیل کلی متان و تبدیل آن به هیدروژن و منوکسید کربن به‎دست آمده‌اند. نتایج تجربی و عددی از تطابق خوبی در بخش عمده‌ای از فضای حالت برخوردار بوده‌اند. راندمان کلی انرژی مشعل در حالت بهینه نیز محاسبه شده‌است که نشان می‌دهد برای شرایط ورودی مناسب، بیشینه تولید هیدروژن می‌تواند با راندمان انرژی نسبتا مطلوب 75 % همراه گردد. در این مقاله نشان داده شده‌است که با وجود تاثیرهای اساسی تغییرات نسبت هم‌ارزی بر مشخصه‌های خروجی فرآیند که مد نظر اکثر محققین در این زمینه نیز قرار گرفته‌، پارامترهای ورودی دیگر مانند انرژی آزاد شده به‎ازای حجم مشعل، مجموعه ابعاد راکتور و قطر ذره که معرف میزان تخلخل و ضریب گذردهی محیط است نیز تاثیر چشم‎گیری دارند.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Enhancement of Hydrogen Production of Methane Incomplete Combustion through Porous Medium

نویسندگان [English]

  • MohammadReza Shahnazari
  • Hedayat Mousavi
  • Ali Saberi
Mechanics Engineering Department, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper, the experimental and the numerical results of a porous media burner containing spherical alumina particles are investigated and also are compared with each other. Based on the data, the maximum production of hydrogen mole fraction and the maximum conversion rate of methane to hydrogen and carbon monoxide have been investigated. Moreover, the results show a good agreement between experimental and numerical methods. The optimum efficiency of the burner is calculated and shows that under good input conditions, the maximum hydrogen production can be achieved with a relatively optimal 75% energy efficiency. It has been shown that despite the significant effects of equivalence ratio on output characteristics parameters, which are considered by many researchers in their papers, other input parameters such as released energy, reactor size, particle diameter (porosity) and the permeability of medium are important and effective on the maximum production of hydrogen.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrogen
  • Methane Reforming Partial Oxidation
  • Porous Media
  • Super Adiabatic
  • Conversion Rate

 

[1]. Al-Hamamre Z. and Voss S. and Trimis D., “Hydrogen production by thermal partial oxidation of hydrocarbon fuels in porous media based reformer,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 2, pp. 827–832, 2009.##

[2]. Kazim A., Liu H. T. and Forges P., “Modelling of performance of PEM fuel cells with conventional and interdigitated flow fields,” Journal of Applied Electrochemistry, Vol. 29, No. 12, pp. 1409–1416, 1999.##

[3]. Van Nguyen, T., “Modeling two-phase flow in the porous electrodes of proton exchange membrane fuel cells using the interdigitated flow fields,” Proceedings-Electrochemical Society, (Tutorials in Electrochemical Engineering-Mathematical Modeling), pp. 222–241, 1999.##

[4]. Vielstich W., Lamm A. and Gasteiger A. H., “Handbook of fuel cells, fundamentals technology and application,” Hoboken, USA: John Wiley & Sons Inc., 2004.##

[5]. Kaloidas V. E. and Papayannakos N. G., “Hydrogen production from the decomposition of hydrogen sulphide, Equilibrium studies on the system H2S/H2/Si, (i¼, 1, ..., 8) in the gas phase,” Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 16, No. 6, pp. 403–409, 1987.##

[6]. Lee J. Y., Lee P. H., Park C. S., Park B. Il and Hwang, S. S. “Combustion characteristics of mixture of anode off gas and LNG in reformer,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, No. 8, pp. 5181-5188, 2011.##

[7]. Mitchell W., “Development of a partial oxidation reformer for liquid fuels,” Society of Automotive Engineers, In: Proceedings, Fuel Cells for Transportation TOPTEC, Arlington, VA., 1996.##

[8]. Cross J., “Gasoline fuel processing: a system perspective,” Presented at the IQPC Fuel Cells Infrastructure Conference, Chicago, IL, 1999.##

[9]. Pena M. A., Gómez J. P. and Fierro, J. L. G., “New catalytic routes for syngas and hydrogen production,” Applied Catalysis A: General, Vol. 144, No, 2, pp. 7–57, 1996.##

[10]. Weinberg F. J., “Combustion temperatures: the future:,” Nature, Vol. 233, pp. 239-241, 1971.

[11]. Wood S. and Harris, A. T. “Porous burners for lean-burn applications,” Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 34, No. 5, pp. 667-684, 2008##

[12]. Han S., Park J., Song S. and Min Chun K., “Experimental and numerical study of detailed reaction mechanism optimization for syngas (H2 + CO) production by non-catalytic partial oxidation of methane in a flow reac tor,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 16, pp. 8762-8771, 2010.##

[13]. Babkin V. S., Korzhavin A. A. and Bunev V. A., “Propagation of premixed gaseous explosion flames in porous media,” Combustion and Flame, Vol. 87, No. 2, pp. 182–190, 1991. ##

[14]. Vafai K., “Handbook of porous media,” Third Edition, CRC Press Taylor and Francis Group, 2005.##

[15]. De Soete G. “Stability and propagation of combustion waves in inert porous media,” In Symposium (International) on Combustion, Vol. 11, No. 1, pp. 959-966, 1967.##

[16]. Hsu P. F. and Matthews R. D., “The necessity of using detailed kinetics in models for premixed combustion within porous media,” Combustion and Flame, Vol. 93, No. 4, pp. 457–466, 1993.##

[17]. Al-Hamamre Z., Al-Zoubi A. and Trimis D., “Numerical investigation of the partial oxidation process in porous media based reformer,” Combustion Theory and Modelling, Vol. 14, No. 1, pp. 91–103, 2010.##

[18]. Miguel A. A., Mendes J. M. C. and Pereira, J. C. F., “Numerical study of methane TPOX within a small scale Inert Porous Media based reformer,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 39, No. 9, pp. 4311-4321, 2014.##

[19]. Loukou A., Mendes M. A. A., Frenzel I., Pereira J. M. C., Ray S., Pereira J. C. F., and Trimis D. “Experimental and numerical investigation of methane thermal partial oxidation in a small-scale porous media reformer,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 42. No. 1, pp 652-663, 2017.##

[20]. Zhdanok S. A., “Porous media combustion based hydrogen production,” Proc. of the European Combustion Meeting, The French Section of the Combustion Inst. Vol. 1, 2003.##

[21]. Malico I. and Pereira J. C. F., “Numerical study on the influence of radiative properties in porous media combustion,” ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 123, No. 5, pp. 951-957, 2001.##

[22]. Modest M. F. “Radiative heat transfer,” Third Edition, Academic Press, 2013.##

[23]. Dhamrat R. S. and Ellzey J. L., “Numerical and experimental study of the conversion of methane to hydrogen in a porous media reactor,” Combustion and Flame, Vol. 144, No. 4, pp. 698–709, 2006. ##

[24]. Kee R. J., Miller J. A. and Jefferson T. H., “CHEMKIN: a general purpose problem independent, transportable, Fortran, chemical kinetic program package,” Sandia National Lab. Report, SAND80-8003, 1989.##

[25]. Zhou X. Y. and Pereira J. C. F., “Numerical study of combustion and pollutants formation in inert nonhomogeneous porous media,” Combust Sci. Technol. Vol. 130, pp. 335-364, 1997.##