Rozkład związków chemicznych wewnątrz płomienia

Rozkład związków chemicznych oraz temperatury wewnątrz płomienia wykonany był przy użyciu sondy Suction Pyrometer. Taka metoda pomiaru wiąże się z wykonanie otworów w ścianie komory i wprowadzenia przez nie sondy. Powoduje to dodatkowe zaburzenia wewnątrz mierzonego obiektu, a także może powodować przecieki i zasysanie powietrza wzdłuż sondy. Pomimo tych niedogodności metoda ta jest jedyną dostępną w Laboratorium Technologii Gazowych metodą pozwalającą wykonać pomiar rozkładu związków chemicznych wewnątrz płomienia.

Przykładowe rozkład związków chemicznych i temperatury dla prezentowanych paliw przedstawiono na rysunkach 8.1-8.6.

78 Rysunek 8.1. Rozkład tlenku węgla dla gazu Metan-100

Rysunek 8.2. Rozkład tlenku azotu dla gazu Metan-100

79 Rysunek 8.3. Rozkład temperatury dla gazu Metan-100

Rysunek 8.4. Rozkład tlenku węgla dla gazu Metan-50

80 Rysunek 8.5. Rozkład tlenku azotu dla gazu Metan-50

Rysunek 8.6. Rozkład temperatury dla gazu Metan-50

Jak pokazano na rysunkach 8.1-8.6, proces spalania w rzeczywistej komorze badawczej, w przeciwieństwie do obliczeń numerycznych, nie jest symetryczny. Charakter asymetrii spowodowany jest wspomnianą koniecznością wykonania dodatkowych otworów pomiarowych. Zmienia to charakter przepływu wewnątrz komory, co wpływa na warunki panujące w punktach pomiarowych. Kolejnym czynnikiem jest szybkość zmian. Proces spalania jest procesem dynamicznym, zwłaszcza, jeżeli weźmiemy pod uwagę spalanie

81

w przepływie z silnym zawirowaniem. W takich warunkach mierzone wielkości są wartością średnią w czasie.

Możliwe jest jednak uzyskanie odpowiedzi jakościowej opisującej proces spalania.

Z powyższych wykresów można określić wpływ gazów inertnych na proces spalania.

Podobnie jak w przypadku obliczeń numerycznych, najwyższą temperaturą spalania charakteryzują się gazy z mniejszą ilością gazów inertnych.

Ilość udziałów molowych tlenków azotu wzrasta z odległością od wylotu palnika.

Związane jest to bardzo rozciągniętą strefą, w której tlenki azotu powstają. Porównać to można z wynikami obliczeń CFD (rysunek 8.7), gdzie mimo znacznej różnicy ilościowej, wyniki są zgodne jakościowo.

Rysunek 8.7. Emisja tlenku azotu dla obliczeń numerycznych, paliwo Metan-80

Dla paliwa wysokometanowego Metan-100 zmierzone maksymalne udziały NO w komorze spalania pokrywają się z obszarami o najwyższej temperaturze. W obszarze do 450 mm od wylotu z palnika obserwujemy znaczne ilości tlenku węgla, co może świadczyć o niedostatecznej ilości tlenu do procesu utleniania paliwa. Ponieważ cały tlen konsumowany jest na reakcje spalania w obszarze tym nie powstają tlenki azotu. Dostarczenia powietrza

82

wtórnego powoduje, że proces dopalania związków palnych odbywa się w dolnej części komory spalania, gdzie została zmierzona najwyższa temperatura, a przepływ staje się pozytywny. Na tej podstawie można wnioskować, że proces spalania jest rozciągnięty i ma charakter objętościowy. Drugim czynnikiem wpływającym na taki charakter procesu spalania jest powstanie w komorze spalania zawirowania oraz wewnętrznej strefy recyrkulacji, która powoduje stabilizację płomienia, ale także zmniejsza ilość tlenu w obszarze palnika.

Inny charakter procesu spalania ma utlenianie paliwa oznaczonego jako Metan-50. Dla tego paliwa obserwujemy obszar o najwyższej temperaturze zlokalizowany przy wylocie samego palnika i rozciągnięty wzdłuż osi komory spalania, przy czym maksymalna temperatura jest niższa o około 200 K w stosunku do paliwa Metan-100. Zwiększenie ilości gazu inertnego powoduje rozproszenie strefy reakcji utleniania paliwa w komorze spalania, przez zwiększenie wewnętrznej strefy recyrkulacji spalin, co zostało pokazane na rysunkach 7.20 - 7.24. W tym samym obszarze zmierzone zostały również największe udziały molowe NO, jednakże najwyższa zmierzona wartość jest prawie dwukrotnie niższa niż dla paliwa Metan-100. Rozszerzenie się obszaru o zwiększonej ilości NO w komorze spalania w kierunku wylotu dla obydwu paliw może być podyktowane dostarczeniem powietrza wtórnego oraz powietrza chłodzącego ściany komory spalania, co powoduje powstanie większej ilości tlenu atomowego na skutek dysocjacji termicznej O2. Wolne atomy tlenu reagują następnie z azotem tworząc NO zgodnie z mechanizmem termicznym powstawania tlenków azotu.

Pomimo tak dużej asymetrii wyników, proces spalania był stabilny dla wszystkich rodzajów paliw. Niestabilności pojawiały się w przypadku znacznego zmniejszenia ilości doprowadzanego powietrza, poniżej wartości λ = 1,7. Świadczy to o zbyt małej ilości powietrza w rejonie palnika, co powoduje zaburzenie wewnętrznej strefy recyrkulacji odpowiedzialnej za podgrzanie świeżej, bardzo bogatej, mieszanki powyżej temperatury zapłonu.

Istotne w trakcie badań było zmierzenie udziałów molowych związków toksycznych w kanale wylotowym. Poziom emisji tlenku węgla był pomijalny, o czym wspomniano wcześniej. Porównanie emisji tlenków azotu dla różnych parametrów eksploatacyjnych przedstawiono na rysunku 8.8.

83

Rysunek 8.8. Porównanie wyników emisji tlenku azotu uzyskanych w trakcie pomiarów eksperymentalnych i obliczeń CFD

Analizując powyższy rysunek trzeba zwrócić uwagę na fakt, iż wyniki obliczeń numerycznych charakteryzują się niższymi emisjami niż wynika to z badań eksperymentalnych. Dotyczy to głównie przypadków dla małej wartości globalnego współczynnika nadmiaru powietrza. Wraz ze zwiększaniem ilości powietrza, przedstawione krzywe emisji zaczynają się do siebie zbliżać. Dla najwyższych wartości λG, a więc takich, przy których pracują komory spalania turbin gazowych [60], przewidywalność emisji wynikająca z obliczeń CFD jest bardzo dobra. Największą rozbieżność zaobserwowano dla paliwa Metan-50 i wynosi ona 13,6 %. Dla pozostałych paliw rozbieżności te są mniejsze i wynoszą odpowiednio: 2,99 % dla Metan-65, 5,95 % dla Metan-80 i 2,51 % dla Metan.

Wyjątkiem są wyniki dla gazu z największą zawartością azotu. Mimo, iż w końcowym punkcie krzywe się do siebie zbliżają, to wykazują zupełnie inny charakter. Podczas gdy wyniki pomiarów wykazują tendencję spadkową wraz ze wzrostem ilości powietrza, poziom emisji z obliczeń numerycznych wzrasta. Może to być spowodowane wzrostem wartości współczynnika nadmiaru powietrza (do wartości λ bliskiej 1) w rejonie dyszy palnika, co skutkuje zwiększeniem temperatury spalania, a więc zwiększenie udziału mechanizmu termicznego powstawania tlenków azotu na emisję końcową.

0

1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00 3,10

NO [ppm]

84