燃烧释放的沼气从棕榈油厂废水和氢富集的影响沼气火焰的特征

文摘

沼气释放棕榈油厂废水(梨果)可能是一个空气污染的来源,这说明全球变暖的负面影响。保护环境免受有毒排放和使用梨果沼气的能源,梨果进行封闭的消化系统捕捉和释放沼气。自从梨果沼气升级是一个复杂的过程,它不是经济,因此新的燃烧技术应该检查。摘要梨果沼气(40%股份有限公司₂和60% CH₄)已经被利用在实验室规模炉作为燃料。标准的计算方法k- - - - - -ε燃烧和湍流模型。氢是添加到沼气组件和温度分布的影响氢浓缩,火焰稳定,污染物的形成进行了研究。结果确认添加氢梨果沼气含量可以提高低热值(LCV)沼气和增加梨果沼气火焰的稳定性。事实上,增加沼气的火焰长度和腔内的温度分布是均匀的,当氢添加到梨果沼气成分。与纯沼气燃烧相比,热_x形成增加hydrogen-enriched梨果沼气燃烧炉温度的提高。

1。介绍

日益严格的法规污染形成正推动能源与环境研究社区找到清洁燃料和更高效的燃烧技术。化石燃料生产缓慢,多年因此,化石燃料的自然保护区正在迅速耗尽。许多已进行调查发现化石燃料的可再生燃料来取代这些瞬态。因此,生物质被发现有巨大的潜力应用于当前燃烧系统和生物燃料可能是未来最重要的替代燃料的混合能源的世界(1]。同时,沼气释放生物和有机废物的厌氧消化可以是一个能源取暖和发电的目的。从废料通过捕获沼气,不仅提供了一个可接受的能源,而且也从温室气体排放环境保护(2]。与其他替代燃料、沼气不是有限的地理位置和简单沼气生产过程是最重要的一个灵能点的燃料(3]。棕榈油作为最著名的生物燃料资源开发广泛在印尼等东南亚国家,马来西亚和泰国,在非洲和南美洲热带国家。棕榈油,年度总产量约28%,被称为世界上最大的植物油(4,5]。然而,棕榈油基下生物柴油生产的可持续性问题由于梨果的一代。大量的沼气生成每年从梨果释放到环境导致全球变暖的世界。低热值(LCV)的沼气是沼气利用发展的主要障碍6,7]。因此,沼气应该升级到去除杂质,如有限公司₂和H₂年代(8]。由于沼气升级是不经济的,纯沼气已成功应用于无焰燃烧技术(9]。今天,随着沼气发电和热利用发展,全面了解各种沼气燃烧技术需要根据沼气燃烧(选择高效的能量转换10]。另一方面,氢(H₂二氧化碳(较低的)作为清洁燃料有限公司₂),碳monooxide (CO)、硫氧化物(),未燃烧的碳氢化合物(UHC)排放有很大潜力作为主要燃料在未来11]。然而,H₂自由不是在自然界发现的,当它被用作燃料,由于其高易燃性和H的扩散率₂在储存和运输,存在一些安全的担忧导致高爆炸风险(12]。在1990年代之前,因为大多数的研究H₂浓缩燃烧是液体燃料浓缩,他们并不适用,因为雾化和混合物种的机械燃烧的过程中发挥着至关重要的作用₂浓缩的液体燃料。然而,H的影响₂除了气体燃料燃烧更激进,因为这种火焰的燃烧特性很大程度上取决于气体燃料的性质和条件的火焰。因此,H₂浓缩不同的甲烷等气体燃料(CH₄)、丙烷(C₃H₈)和天然气(NG)已经发展在过去的十年。点火的燃料混合物在精益可燃性限制保证了燃料储蓄目标下的激进的开发方法(13]。由于H提高温度₂燃烧以及快速反应速率与O₂可以证明这个物理现象。尽管hydrogen-enriched气态燃料燃烧了实验和数值,氢浓缩在传统沼气燃烧的影响没有被认真考虑。沼气利用以来已经成为世界上宝贵的能源,氢富集的影响沼气的传统火焰稳定和污染物形成了。

1.1。沼气成分

沼气是一种易燃的再生气体形成的厌氧消化(广告)的生物量形成需要一个相对较短的时间。沼气发电和原料的类型的过程扮演了一个重要的角色在沼气原料混合物(14]。沼气是由不燃物有限公司₂,可燃CH₄少量的硫化氢(H₂年代)、水蒸气(H₂O)、一氧化碳(CO)、氨(NH)₃)、氢(H₂)、氮(N₂)、氧气(O₂),尘埃,偶尔硅氧烷(3]。世界上最重要的沼气资源是城市固体垃圾(垃圾)15),生活垃圾填埋场和老废物存款(16],棕榈油厂废水[17),污水污泥18],牛牧场和粪便发酵[19,煤矿20.),和农产品,稻田21]。沼气的平均热值是21.5 MJ / m³这是低相比,天然气的热值在36 MJ / m³。基于原料,CH₄形式约40 - 80%的沼气的成分。自从CH的低发热值₄大约是34300 kj / m³在标准温度和压力下,沼气的低发热值大约是13720 - 27440 kJ / m³。沼气通常建模的物理特征有限公司₂和CH₄因为98%以上的沼气是这两种气体的组合。

1.2。Hydrogen-Enriched气体燃料燃烧模型

阿伦尼乌斯hydrogen-enriched燃料反应速率增加,由于温度的增长;因此,O₂稀混合气的消费增加。hydrogen-enriched气态燃料燃烧的模拟、快速化学模型优越的由于他们的低计算成本。事实上,守恒标量模型作为一个子类的一些其他模型如火焰,层流小火焰单元和守恒标量模型与化学平衡的定义是基于火焰热化学特性的关系作为混合分数的函数(22]。Ilbas et al。23)守恒标量模型适用于模拟nonpremixed hydrogen-enriched湍流燃烧的甲烷。类似的火焰模拟涡流损耗的概念(EDC) Frassoldati et al。24]和Mardani Tabejamaat [25)和不可接受的准确性等质量分数的小物种被发现O和哦没有形成行为进行错误的期望。发现,造型hydrogen-enriched甲烷的燃烧,稳定层流小火焰单元方法具有更好的性能的小物种预测(26]。概率密度函数(PDF)的质量分数计算小和主要物种,混合物分数,由缩和温度(27]。据报道,与均衡模型相比,获得了更好的结果在反应区内小火焰单元模型。钝头体的模拟nonpremixed hydrogen-enriched甲烷火焰对层流小火焰单元模型,平衡化学,火焰面模型,它是由化学平衡限制侯赛因和Malalasekera28证明只是主要物种可以通过火焰面模型可预测的。尽管H可接受的结果₂O质量分数和燃烧温度可以通过火焰面模型,overprediction有限公司₂是这个模型的弱点之一。另一方面,温度的可靠的结果记录,有限公司₂,和H₂O质量分数通过使用约束均衡模型;然而,有限的预测水平和哦质量分数是不准确的。同样预测温度和物种的质量分数报告了可怜的均衡模型时应用。得出准确的结果对温度和主要和次要物种质量分数可以通过层流小火焰单元模型。侯赛因和Malalasekera29日,30.)建模类似火焰应用小火焰单元模型,并指出合理的结果可以在上游的位置来实现当一个耦合辐射/小火焰单元模型是利用31日]。

1.3。在Hydrogen-Enriched气态燃料燃烧化学反应机制

各种研究人员应用不同的化学反应机制的模拟,发现模拟化学反应机制中发挥着重要作用层流小火焰单元模型的性能。比如在燃烧模拟由Ilbas et al。23)只有7个物种被锁(27)应用GRI机制与18个物种。用GRI2.11 Ravikanti et al。26),发现模拟结果与减少的结果有很好的一致性DRM-22机制(25]。在燃烧模拟由Frassoldati et al。24反应是实现),600年48物种被认为是。

1.4。Hydrogen-Enriched气体燃料湍流模型

一个伟大的各种湍流模型进行了建模,化学反应,这两个和互动;还没有统一的模式适合所有湍流燃烧应用程序实现。每个模型展示了几个优点和缺点,只有在特定的应用程序带来更好的性能。雷诺平均n - s建模(跑),大涡模拟(LES),和直接数值模拟(DNS)是主要的方法,可以申请nonpremixed燃烧的数值研究。在湍流模型,尽管雷诺应力模型(RSM)产生正确的结果预测的高应变率和流线曲率流动,它的功能是在各种研究发行的问题,由于不同的结果。RSM无法预测流场的模拟旋转火焰被报道Meier et al。32]。RSM的失败在回旋流建模处理漩涡核心(PVC)在当地速度梯度捕捉预测被Erdal报道,Shirazi [33]。此外,RSM模拟的收敛问题已经被一些研究者报道(34,35]。此外,一些报告表明k- - - - - -ε模式很有能力模型各种燃烧系统(36]。玩弄et al。37模仿一个钝头体火焰与标准修改k- - - - - -ε和RSM火焰面模型应用β概率密度函数,声称这两个标准k- - - - - -ε和RSM能够预测流场与可接受的精度。为了提高预测流场,微调k- - - - - -ε模型常数(Cε1从1.44到1.6)。基于这样的假设,金正日和哈38模拟一个钝头体甲烷/使用条件时刻关闭氢火焰燃烧模型预测在湍流条件没有形成。得出结论,尽管当地速度场的结果和混合物的不同派别并不可靠,修改k- - - - - -ε模型是有资格来预测整个混合物分数字段和速度。事实上,可接受的精度是由(23- - - - - -25当微调的标准k- - - - - -ε模型和EDC燃烧模拟。同时,RSM和调整的可靠性k- - - - - -ε模型应用时增强薄板状的小火焰单元模型(26]。大涡模拟(LES)的性能而调整k- - - - - -ε模型由锁(27Smagorinsky-Lilly和RNG /时)k- - - - - -ε模型应用的次网格模型。结果发现,莱斯和修改的结果k- - - - - -ε模型是在良好的协议与实验记录。

2。方法

这个项目的目标是主要在沼气研究氢的影响除了传统的火焰稳定和污染物的形成。在实验步骤中,沼气(40%股份有限公司₂和60% CH₄)注入燃烧室的燃料。在数值模拟中,沼气流场模拟和相关的化学反应。模型验证后,氢被添加到沼气和这样的燃料成分变化的影响在炉中的温度分布,火焰稳定,污染物形成了三个案例(案例1:0% H₂,40%的公司₂,60%的CH₄案例2:5%,H₂,40%的公司₂,55%的CH₄案例3:10%,H₂,40%的公司₂,50%的CH₄)。

2.1。实验装置

室的直径和长度是264毫米和600毫米,分别由碳钢制成的。炉的内径150毫米安装后的耐火材料。五孔位于顶部的炉燃烧器在一个特定的距离来记录温度和污染物K分别类型热电偶和气体分析仪。进口喷气燃料是5毫米的直径包围洞5毫米直径的进气口。火花点火系统被用来点燃反应物。一些流量计应用于检查的气流,沼气、氢气,和hydrogen-enriched沼气。在第一步,燃烧系统是由沼气和第二个和第三个步骤氢添加th沼气组件5%和10%,分别。图1显示了实验装置。

2.2。数值解

三维(3 d)模拟是通过使用有限元分析软件ANSYS 14 Modeler设计室和ANSYS啮合网燃烧室(39]。网格细化可以有效提高收敛速度和标量属性;因此网格分辨率可以确保顺畅表示。由于对称性,只有八分之一的炉模拟。网格包含7769个节点和33798个元素。

2.2.1。边界条件

在每一个细胞,它一直认为所有属性的平均价值中心的细胞。二阶逆风计划设置计算温度、速度和压力通过控制方程耦合算法。质量加权平均的方法将插入的速度值cell-center面值。燃料和空气进口温度和压力出口300 K, 1.013×10⁵Pa、分别和自由流湍流设置为5%。剩余能量方程应低于10⁻⁶和所有其他变量设置为10⁻³以确保解决方案的收敛性。组件的旋转速度是被忽视的稳态CFD模拟和化学计量等价比率()考虑。沼气的密度包括40%的股份有限公司₂和60% CH₄在标准温度和压力是1.2146 g / l。表1显示各种燃料条件。

2.2.2。网格独立检查

数值解的结果有7769个节点和33798个元素是在良好的协议与实验记录。网格独立于仿真可以测试通过改变细网格的网格数量。在这个仿真采用的元素数量33798,68453,100356。这些收养是出于最重要的事实符合实验测量可以实现网格时那么好。然而,有意义的改变没有观察到的结果和网格独立证实了这个测试的解决方案。图2比较实验结果和仿真数据的径向温度曲线与传统燃烧沼气。这个数字显示,捕获的数据从实验和模拟研究具有相同的趋势而言,除了在温度曲线毫米。

2.2.3。湍流模型

标准的k- - - - - -ε模型是用来与层流小火焰单元模型传统的火焰燃烧模型。在标准k- - - - - -ε模型中,k和ε是模仿后传输方程: 在哪里,,代表湍流粘度、湍流动能生产和脉动膨胀的贡献在可压缩湍流耗散率,分别描述

2.2.4。燃烧模型

nonpremixed造型方法通常应用于湍流扩散火焰的模拟与快速化学。这个模型提供了许多好处在涡流损耗(ED)制定和预测允许激进的物种,分离的影响,精确turbulence-chemistry耦合。湍流火焰稳定的层流小火焰单元法模型作为一个离散的合奏,稳定的层流火焰。假设个体小火焰单元具有相同的结构作为简单的配置和层流火焰通过计算或实验。使用详细的化学机制,流利可以计算nonpremixed层流小火焰单元opposed-flow扩散燃烧。层流小火焰单元被设置在一个湍流火焰使用统计PDF方法。明智的化学动力学的影响可以被纳入湍流火焰通过使用层流小火焰单元的方法。化学预处理和列表,提供巨大的计算储蓄。一组小火焰单元概要文件在小火焰单元库是建立独立的标量耗散率和直接混合分数。这意味着 标量耗散率的平均值计算 等于2.5。

然后小火焰单元库集成与一个概率密度函数(PDF)来计算平均标量属性: 混合分数可以估计基于德雷克公式(40]。自325年GRI3.0机制包括反应和53个物种,它优于GRI 2.11的最新的动力学和准确性;因此开发小火焰单元库,采用GRI3.0机制。事实上,动力学相关提示计算得到改善在这个修订(41]。

2.2.5。辐射模型

预测辐射传热模拟湍流燃烧是一个关键因素。显著差异的数值预测和实验结果可能出现的污染物形成和燃烧特性方面,如果一个精确的辐射传热方法不适用。自形成对炉温的趋势很敏感,overprediction形成发生如果辐射热量损失没有考虑。预测的辐射,离散纵坐标(做)辐射模型用于模拟因其合理的计算成本。做的是广泛应用于类似计算调查没有明显的错误。这种辐射模型的相关公式和更多的细节可以在[42,43]。

2.2.6款。没有_x形成造型

在传统燃烧政权,减少形成中扮演了重要的角色控制酸雨,烟雾、臭氧损耗、和温室效应。通常形成于内的氮气和氧气的存在局部高温地区。热,及时N₂O中间机制,fuel-bound提到氮的主要机制在燃烧过程中形成。在极高的温度下在燃烧室中,N₂和O₂可以通过化学反应机制叫Zeldovich配方。热的速度形成温度增加迅速增加。提示或费尼莫尔形成发生在富油的条件和发现提示等效附近形成增加的比率1.4 [44]。N₂O中间机制发生在燃料精益,升高温度,和较低的压力。形成×N₂O机制提出了因为较低的燃烧过程中火焰温度(45]。Fuel-bound形成机制与氮的存在物种的分子结构的燃料。由于传统沼气燃烧的特点,热和提示被认为是在模拟。没有物种形成的输运方程 包括热应由Zeldovich方程和提示。Zeldovich方程可以写成(46] 选择反应的反应速率常数(47)和局部平衡的方法被认为是估计哦和O自由基的浓度。提示符的计算形成了从全局模型在48]: 考虑之间的相互作用形成和动荡,温度的PDF应用于计算一次平均速度宪法的产生率热和提示计算。计算出的平均时间结果应用于(6)。

3所示。结果与讨论

空气喷射的速度保持不变在30 m / s在所有情况下。当氢燃料添加到流的密度降低;因此混合物的质量流率应该增加化学计量的条件。氢被添加到沼气成分5%,沼气火焰的结构变化明显的峰值温度增加。此外,氢的虚假的组合会导致一些变化模式的火焰。火焰的高温收缩和稍微远离炉轴移动。事实上,一个小热地区形成火焰尖端和氢的浓度提高到10%的时候,这个地区变得更大。然而,当火焰温度无明显变化加剧氢的比例为10%。事实上,火焰长度的增加,当氢混合添加到沼气和氢发生比例进一步增长时,火焰的长度增加。图3演示了在腔体内温度的轮廓在三个案例。

可以解释,添加氢沼气混合物的密度变化,因此混合流量的增加;因此增加沼气的可燃性,因为氢之外(H0的自燃极限,H5和H10是9,12日和15(体积百分比),分别)。氢进一步氢含量(10%),沼气加剧由于密度低的可燃性混合物和更高的流场。图4显示氢加成的数值结果对轴向温度和径向温度剖面的影响(在毫米)沼气的火焰。从图4 (b)可以看出,沼气时,火焰变得狭窄沼气的氢含量增加的百分比。火焰厚度减少的增强可以归因于混合。nonpremixed燃烧的模拟,混合分数表明混合率。而混合分数增加,可以解释,正常不发生混合。图5显示混合分数在轴向和径向方向。当沼气的氢含量的增加,混合分数降低的径向扩散率是一个混合增长的迹象。

轴向的H₂,CH₄阿,₂质量分数在hydrogen-enriched沼气燃烧呈现在图6。

的轮廓形成和氢富集的影响沼气燃烧的形成提出了数字7和8,分别。形成显著增加,氢被添加到沼气的内容。虽然提示的贡献减少总生成(由于碳含量减少燃料混合物),热急剧增加是由于相当大的火焰温度的增长。这意味着沼气中的氢气流导致的只有通过形成温度的增加,因此通过热。最高温度在H0, H5和H10记录1860 K, 1790 K, 1710 K,分别。事实上,从数值模拟(图3)可以看出,开发热点,以防H10。正因为如此,形成区域变化相同的模式,峰值温度分布区域的变化。

提到图4表明别人的H10具有较高的温度;然而,图7证明了浓度的H10 H5低于情况。氢比例从5%到10%的增加导致燃烧更完全。因此,根据图6氧气的浓度(O₂)小于H5。它可以认为低利率生产H10与氧气(O₂)短缺,即使它有更高的温度。

4所示。结论

尽管梨果沼气可以是一个可接受的能源,沼气的液位控制阀是最重要的这一可再生和可持续燃料发展的障碍。因为梨果沼气升级不是经济、新方法应该考虑提高沼气的燃烧。因为氢的比例在梨果沼气组件可以由一些化学策略控制,氢浓缩在沼气的影响传统coflow火焰了。燃烧特性和火焰稳定的纯沼气(H0: 40%有限公司₂和60% CH₄有限公司)和hydrogen-enriched沼气(H5: 40%₂,55%的CH₄,5% H₂和H10: 40%的公司₂,50%的CH₄,10% H₂)进行了研究。发现添加氢沼气内容可以改善LCV的沼气和因此沼气火焰的稳定性增加。同时,温度的分布变得均匀,当氢是添加到沼气。事实上,沼气火焰的长度是拉伸时介绍了氢燃料混合物。模拟结果表明,燃料和空气的混合过程迅速提高氢的存在。当氢的浓度₂增加,进口燃料混合物的密度,因此火焰结构改变。与纯沼气燃烧相比,热形成增加hydrogen-enriched沼气燃烧由于温度的提高。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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