Combustion du biogaz de décharge dans une turbine à gaz

Abstract

L'objectif de cette thèse est de comprendre les effets de diverses propriétés thermo-physiques du biogaz carburant mélangé avec l'hydrogène sur ses caractéristiques de combustion. Le biogaz pur est représenté avec un mélange de 60% (volumétrique) de CH4 et 40% (volumétrique) de CO2. La quantité d'enrichissement en hydrogène (RH) est variée de 0% à 50% en volume. Cette thèse traite deux travaux différents qui sont très importants pour le même mélange que nous résumerons ci-dessous : 1- Un calcul tri-dimensionnel, utilisant le modèle de combustion non-prémélangé avec la puissance de combustion de 60 kW. Le modèle de flammelette laminaire stationnaire est utilisé. Le modèle standard k-ε turbulent et le modèle de rayonnement P-1 sont adoptés dans la simulation. L'effet de l'enrichissement en hydrogène et de la richesse du mélange, (ϕ), avec différents nombres de tourbillons ‘‘Swirl’’ (SN) sur la stabilité de la flamme, la distribution de la température, les émissions de NO et les concentrations d'espèces sont analysés. Le mécanisme cinétique de réaction détaillé, (GRI mech 3.0) est utilisé pour la simulation de la combustion. Les résultats indiquent que l'enrichissement de l'hydrogène, la variation de la richesse, et les nombres de swirl affectent de manière significative la macrostructure de la flamme. En effet, l'enrichissement en hydrogène, augmente la température de la flamme. La diminution de la richesse avec des nombres de swirl élevés la diminuera. Cependant, les émissions maximales (NO) à la sortie de la chambre ont été réduites de 43 ppm corrigées 15 % en volume d'O2 pour le biogaz et de 78 ppm corrigées 15 % en volume d'O2 pour le biogaz + 50 % H2. Cela est dû à la réduction de la température de la flamme. La température de la flamme et les émissions de NO à ϕ = 0,2 avec une teneur élevée en hydrogène, (50% H2), sont proches des résultats du biogaz pur (0% H2) à la même richesse. Les résultats montrent que les émissions de CO et de CO2 diminuent avec l'augmentation de l'addition de l'hydrogène et la diminution de la richesse ; en raison d'une diminution de la quantité de carbone, de l'effet de refroidissement et d'une augmentation de la concentration des radicaux OH. 2- Les codes PREMIX unidimensionnel et SENKIN zéro dimension sont utilisés pour exécuter les simulations numériques à l'aide du (GRI mech 3.0). Les conditions initiales utilisées dans cette étude sont d'importance pratique et liées aux conditions du moteur. Le mécanisme réactionnel détaillé, développé pour le méthane, contient des réactions et des données cinétiques pour toutes les compositions considérées. Les propriétés de combustion à des températures élevées sont vérifiées à l'aide de la vitesse de la flamme, la température de la flamme, les espèces, et les caractéristiques de dégagement de chaleur. Alors que les propriétés de la combustion à basse température ont été étudiées à l'aide d'une analyse du retard d'allumage. La vitesse de flamme pour le biogaz pur (RH = 0,0) aux conditions ambiantes calculée à partir de ce mécanisme est validée par rapport aux données expérimentales de la littérature. Les simulations sont ensuite étendues pour inclure l'ajout d'hydrogène RH = 0.0-0.5 avec une richesse ϕ= 0.7-1.4, les températures initiales T = 300- 600 K et les pressions initiales P = 0.1-7.0 MPa. La vitesse de flamme des mélanges air biogaz-hydrogène a été corrélée pour les variations en hydrogène, la richesse, la température des gaz imbrûlés et les pressions initiales. Les résultats indiquent que l'addition d'hydrogène au biogaz augmente la vitesse de la flamme et retarde l'allumage. La quantité de réduction de la vitesse laminaire de la flamme due à l'augmentation de pression initiale est une fonction linéaire de l'addition d'hydrogène au biogaz. De plus, une analyse de sensibilité a été examinée pour mesurer l'effet de l'hydrogène ajouté au biogaz en utilisant le coefficient de sensibilité à la vitesse de flamme laminaire (σ). La compréhension des propriétés de combustion de ces mélanges conduira à la conformité de faisabilité, à des mélanges appropriés de biogaz et d'hydrogène et à l'amélioration de la conception. The objective of the thesis was to study the effects of various thermo-physical properties of biogas fuel blended with hydrogen on its combustion characteristics. The pure biogas is represented with a blend of 60% (volumetric) CH4 and 40% (volumetric) CO2. The amount of hydrogen enrichment RH is varied from 0% to 50% by volume. This thesis deals with two different works that are very important to the same mixture, which we will summarize below: 1- Three-dimensional computational domain studied using the non-premixed (Diffusion) combustion model with the combustor power of 60 kW. The steady laminar flamelet model is used. The famous k–ε standard turbulent model, and (P-1) radiation model are adopted in simulation. The effect of hydrogen enrichment and global equivalence ratio (ϕ) with different swirl numbers (SN) on a stable flame operation, temperature distribution, emissions of NO, and species concentrations are analyzed. For combustion simulation, the detailed kinetics reaction mechanism (GRI mech 3.0) is used. The results indicate, that hydrogen enrichment, the variation of the equivalence ratio, and the swirl numbers, significantly impacted the flame macrostructure. Indeed, hydrogen enrichment will increase the flame temperature. Where the decrease of the equivalence ratio with high swirl numbers will decrease it. However, the NO maximum emissions in the outlet chamber have been dropped by 43 and 78 (ppm @15 % vol. O2) for the biogas and biogas-50% H2, respectively, due to the reduction in flame temperature. The flame temperature and NO emissions at ϕ = 0.2 with a high rate of hydrogen (50% H2) are close to the results of pure biogas, (0% H2), at the same equivalence ratio (ϕ). The results display that CO and CO2 emissions decrease with increasing hydrogen mixing and decreasing the equivalence ratio; due to a decrease in the amount of carbon, the cooling effect of secondary air, and an increase in the OH concentration. 2- The common one-dimensional PREMIX and zero-dimensional SENKIN codes are used to run the numerical simulations using the (GRI mech 3.0). The initial conditions used in this study are of practical importance and related to the engine conditions. The detailed reaction mechanism, developed for methane, contains reactions and kinetic data for all the considered compositions. The high-temperature combustion characteristics are investigated with the help of flame speed, flame temperature, species, and heat release profiles. Whereas low-temperature oxidation characteristics are studied with the help of ignition delay analysis. The flame speed for pure biogas (RH = 0.0) at ambient conditions computed from this mechanism is compared with experimental data from the literature and validated successfully. The simulations are then extended to include hydrogen mixing RH = 0.0- 0.5, through a range of equivalence ratios, ϕ= 0.7 -1.4, unburned pressures P = 0.1- 7.0 MPa, unburned temperatures T = 300-600 K. The flame speed of biogas + hydrogen and air mixtures has been correlated for variations in the hydrogen diluent, the equivalence ratio, unburnt gas temperature, and unburned pressures. The results suggest that adding hydrogen to biogas enhances flame speed as well as ignition delay. The laminar flame speed decreases, caused by an increase in unburned pressure, is a linear function of hydrogen mixing to biogas. In addition, a sensitivity is conducted to quantify the impact of hydrogen supplied to biogas, using the coefficient of sensitivity of laminar flame speed, (σ). The comprehension of the combustion properties of these mixtures will lead to feasibility conformity, appropriate mixtures of biogas and hydrogen, and enhancement of design. الهدف من هذه الأطروحة هو دراسة تأثير مختلف الخصائص الحرارية الفيزيائية لوقود الغاز الحيوي ممزوج بالهيدروجين على خصائص احتراقه. يتم تمثيل الغاز الحيوي النقي بمزيج 60 ٪ (حجمي) 4CH و 40 ٪ (حجمي) 2CO . كمية الهيدروجين المضافة HR تتغير من حيث الحجم 0من ٪ إلى 50 ٪. تتناول هذه الأطروحة عملين مختلفين مهمين جدا لنفس الخليط، و سيتم تلخيصهما كالتالي: 1- تمت دراسة المجال الحسابي ثلاثي الأبعاد باستخدام نموذج الاحتراق غير المخلوط (الانتشار) بقوة احتراق 60 كيلو وات. تم استخدام نموذج اللهب الرقائقي الثابت (steady laminar flamelet) . تم الاعتماد في المحاكاة على نموذج المضطرب القياسي - 𝜀( k ) الشهير ونموذج الإشعاع (P-1). يتم تحليل تأثير الهيدروجين المضاف ونسبة التكافؤ الاجمالية ( ϕ ) مع أرقام دوامة مختلفة (SN) على عملية اللهب المستقر و توزيع درجة الحرارة و انبعاثات أكسيد النيتروجين و التركيزات المولية. لمحاكاة الاحتراق، تم استخدام آلية تفاعل الحركية المفصلة (GRI mech 3.0 .) تشير النتائج إلى أن الهيدروجين المضاف، و تغير نسبة التكافؤ، و عدد الدوامات، أثرت بشكل كبير على البنية الكلية للهب. في الواقع، إن الهيدروجين المضاف سيزيد من درجة حرارة اللهب. حيث يؤدي انخفاض نسبة التكافؤ مع ارتفاع أرقام الدوامات إلى تقليلها. و مع ذلك، تم تقليل الحد الأقصى للانبعاثات NO في مخرج غرفة الاحتراق بنسبة 43 و 78 ( ppm @ 15 ٪ من حجم 2O) لكل من الغاز الحيوي و الغاز الحيوي المخصب ب 50 ٪ من 2H ، على التوالي، و ذلك بسبب انخفاض في درجة حرارة اللهب. درجة حرارة اللهب و انبعاثات أكسيد النيتروجين عند = 0.2 ϕ مع معدل مرتفع من الهيدروجين ( 50 ٪ 2H) قريبة من نتائج الغاز الحيوي النقي، ) 0 ٪ 2H )، بنفس نسبة التكافؤ ( ϕ ). تظهر النتائج أن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون واحادي أكسيد الكربون تتناقص مع زيادة معدل الهيدروجين و تقليل نسبة التكافؤ؛ بسبب انخفاض كمية الكربون، و تأثير التبريد الناتج من الهواء الثانوي، و زيادة تركيز الهيدروكسيد. 2- تم استخدام الرموز الشائعة PREMIX ذات البعد الواحد و SENKIN ذات البعد الصفري لتشغيل عمليات المحاكاة العددية باستخدام ( GRI mech 3.0 ). تعتبر الشروط الأولية المستخدمة في هذه الدراسة ذات أهمية عملية و تتعلق بظروف المحرك. تحتوي آلية التفاعل التفصيلية المطورة للميثان، على تفاعلات و بيانات حركية لجميع التركيبات المدروسة. يتم فحص خصائص الاحتراق عند درجات الحرارة العالية بمساعدة الرسومات البيانية لكل من سرعة اللهب و درجة حرارة اللهب و الأنواع تراكيز المولية و الحرارة المحررة. بينما تمت دراسة خصائص الأكسدة عند درجات الحرارة المنخفضة بمساعدة تحليل تأخير الاشتعال. تتم مقارنة سرعة اللهب للغاز الحيوي النقي (= 0.0 HR) في الظروف المحيطة المحسوبة باستعمال هذه الآلية مع البيانات التجريبية تم الحصول عليها من الأدبيات و تم التحقق من صحتها بنجاح. يتم بعد ذلك توسيع عمليات المحاكاة لتشمل خليط الهيدروجين 0.5 -= 0.0 HR، من خلال مجموعة من نسب التكافؤ، 1.4-= 0.7 ϕ، ضغط المزيج الغير محترق P = 0.1- 7.0 ميجا باسكال، درجات الحرارة المزيج الغير محترق T = 300-600 K . تم ربط سرعة اللهب للغاز الحيوي + خليط الهيدروجين مع الهواء بالتغيرات في معدل الهيدروجين، و نسبة التكافؤ، و درجة حرارة الغاز الغير محترق، و ضغط الغاز الغير محترقة. تشير النتائج إلى أن إضافة الهيدروجين إلى الغاز الحيوي يعزز سرعة اللهب و كذلك تأخير الاشتعال. انخفاض سرعة اللهب الرقائقي الناتج عن زيادة ضغط الغاز الغير محترق هو دالة خطية لخليط الهيدروجين مع الغاز الحيوي. بالإضافة إلى ذلك، يتم إجراء الحساسية لتحديد تأثير الهيدروجين المضاف للغاز الحيوي، باستخدام معامل حساسية سرعة اللهب الصفحية، ( σ). سيؤدي فهم خصائص الاحتراق لهذه المخاليط إلى الموافقة على قابلية التنفيذ و الاستعمال، و الخليط المناسب من الغاز الحيوي و الهيدروجين، و تعزيز و تحسين التصميم.