Προσομοίωση θερμοχημικών φαινομένων κατά την καύση υγρών και αέριων καυσίμων σε βιομηχανικές εφαρμογές

Abstract

The present PhD Thesis discourses the amplification, analysis and optimization of a detailed chemical kinetic mechanism for the quantification and the qualification of oxidation chemistry of conventional and alternative fuels under a wide range of realistic operating conditions of practical combustors and especially for intermediate temperatures and high pressures. A detailed chemical kinetic mechanism has been developed for modeling the oxidation of lower molecular weight hydrocarbons (C1-C2), for a wide range of temperatures, pressures and equivalence ratios and for different thermofluid conditions. The resulting mechanism, consisting of 710 reversible elementary reactions and 124 species has been extensively validated against measured major and intermediate species profiles from the oxidation of hydrogen, methane, ethane, methane-ethane mixtures (natural gas), ethylene, acetylene, methanol and ethanol at 0-D reactor, PSR and at 1-D reactor, PFR over a wide range of temperatures, pressures and equivalence ratios. The major contribution of the PhD thesis, directly associated with the development of the chemical kinetic model, is the development of a methodology for the comprehension and imprinting of oxidation chemistry progress and the hierarchical importance ranking of oxidation reactions of a specific fuel under specific conditions. Thus, the mechanism has been used for the investigation and study of its own problematic areas via targeting specific reactions that require further theoretical and experimental investigation, using various analysis methods such as reaction path analysis and sensitivity analysis. A basic aim of the PhD thesis was the development of a model for the simplified mixing and flow representation of industrial combustors while retaining full detailed chemistry. Specific industrial combustors have been modeled by reactor networks and the developed mechanism was utilized in order to predict pollutant emissions and to investigate optimal operating conditions. An industrial cement kiln has been modeled by a single 0-D ideal reactor, PSR and an industrial gas turbine combustor by a network of 15 0-D ideal reactors, PSRs. Finally, a parametric study has been implemented in order to investigate the effect of fuel substitution on pollutant emissions from industrial combustors (cement kiln, gas turbine combustor) under realistic operating conditions. The fuels used were, hydrogen, natural gas, syngas, diesel, biodiesel and ethanol. The developed chemical kinetic mechanism was used and temperatures and major and intermediate species profiles were quantified.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την επέκταση, ανάπτυξη, ανάλυση και βελτιστοποίηση ενός λεπτομερούς χημικού κινητικού μηχανισμού για τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό της χημείας καύσης συμβατικών και εναλλακτικών καυσίμων σε εύρος ρεαλιστικών συνθηκών λειτουργίας πρακτικών διατάξεων καύσης και κυρίως για συνθήκες χαμηλών θερμοκρασιών και υψηλών πιέσεων. Αναπτύχθηκε ένας λεπτομερής χημικός κινητικός μηχανισμός για την οξείδωση και καύση υδρογονανθράκων χαμηλού μοριακού βάρους (C1-C2), για ευρύ φάσμα συνθηκών θερμοκρασίας, πίεσης και στοιχειομετρίας και για διαφοροποιημένες θερμοροϊκές συνθήκες. Ο λεπτομερής χημικός κινητικός μηχανισμός που προέκυψε και αποτελείται από 710 στοιχειώδεις αντιστρεπτές αντιδράσεις και 124 χημικά είδη, επικυρώθηκε εκτενώς σε σύγκριση με συγκεντρώσεις κυρίων και δευτερευόντων χημικών ειδών από καύση υδρογόνου, μεθανίου, αιθανίου, μειγμάτων μεθανίου-αιθανίου (φυσικό αέριο), αιθυλενίου, ακετυλενίου, μεθανόλης και αιθανόλης σε αδιάστατο ιδανικό αντιδραστήρα, PSR, και σε μονοδιάστατο ιδανικό αντιδραστήρα, PFR, για εύρος θερμοκρασιών, πιέσεων και στοιχειομετριών. Βασική συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής, άμεσα συνδεδεμένη με την ανάπτυξη του χημικού κινητικού μοντέλου, είναι η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την κατανόηση και αποτύπωση της πορείας της χημείας της καύσης και την ιεράρχηση της σημαντικότητας των αντιδράσεων οξείδωσης συγκεκριμένου καυσίμου σε συγκεκριμένες συνθήκες. Έτσι, ο αναπτυχθής μηχανισμός χρησιμοποιήθηκε για την διερεύνηση και κατανόηση της χημείας της καύσης συγκεκριμένων καυσίμων, δηλαδή την αποτύπωση της αλληλουχίας των χημικών οδών που ακολουθούνται καθώς και την ιεράρχηση της σημαντικότητας των αντιδράσεων που συμμετέχουν. Ο μηχανισμός χρησιμοποιήθηκε επίσης για τη διερεύνηση και τη μελέτη προβληματικών περιοχών του μέσω της στοχοποίησης συγκεκριμένων αντιδράσεων που χρήζουν περαιτέρω θεωρητικής και πειραματικής διερεύνησης, με χρήση μεθόδων ανάλυσης όπως είναι η ανάλυση χημικών οδών (reaction path analysis) και η ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis). Βασικό στόχο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η ανάπτυξη μοντέλου για την απλουστευμένη προσομοίωση αντιδρωσών ροών βιομηχανικών συστημάτων καύσης και επίλυσή τους με χρήση λεπτομερούς χημείας. Μοντελοποιήθηκαν συγκεκριμένες βιομηχανικές διατάξεις με χρήση δικτύου αντιδραστήρων και επίλυσή του με εφαρμογή του αναπτυχθέντος χημικού κινητικού μηχανισμού προκειμένου για την πρόβλεψη της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων ρύπων από τις διατάξεις, την διερεύνηση των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας τους και την βελτιστοποίηση της απόδοσής τους. O κλίβανος τσιμεντοβιομηχανίας μοντελοποιήθηκε από έναν αδιάστατο ιδανικό αντιδραστήρα, PSR και ο θάλαμος καύσης βιομηχανικού αεριοστρόβιλου από δίκτυο 15 αδιάστατων ιδανικών αντιδραστήρων, PSRs. Τέλος, πραγματοποιήθηκε παραμετρική μελέτη επίδρασης αντικατάστασης καυσίμου στις συγκεντρώσεις των εκπεμπόμενων ρύπων και στην απόδοση της καύσης βιομηχανικών συστημάτων καύσης (κλίβανος τσιμεντοβιομηχανίας και θάλαμος καύσης βιομηχανικού αεριοστροβίλου) υπό ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας. Χρησιμοποιήθηκαν ως καύσιμα το υδρογόνο, το φυσικό αέριο, το υγραέριο, το ντίζελ, το βιοντίζελ και η αιθανόλη. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με την εφαρμογή του αναπτυχθέντος λεπτομερούς χημικού κινητικού μηχανισμού. Υπολογίστηκαν η θερμοκρασία καθώς και οι συγκεντρώσεις επιλεγμένων κύριων και δευτερευόντων χημικών ειδών της καύσης.