Analiza procesu spalania niskokalorycznych paliw gazowych w modelowej komorze spalania turbiny gazowej

Politechnika Poznańska

Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

ROZPRAWA DOKTORSKA

Analiza procesu spalania niskokalorycznych paliw gazowych w modelowej komorze spalania

turbiny gazowej

mgr inż. Przemysław Grzymisławski

Promotor prof. dr hab. inż. Tomasz Dobski Promotor pomocniczy dr inż. Rafał Ślefarski

Poznań, 2015

Pragnę podziękować wszystkim, którzy przyczynili się do powstania tej pracy,

a w szczególności profesorowi Tomaszowi Dobskiemu oraz Rafałowi Ślefarskiemu za cenne uwagi i wskazówki, a także kolegom z zespołu Laboratorium Technologii Gazowych.

Osobne wyrazy wdzięczności kieruję do

rodziców oraz żony

za cierpliwość i motywację

Spis treści

Streszczenie ... 3

Abstract ... 4

Wykaz oznaczeń i symboli ... 5

1. Wprowadzenie ... 7

2. Cel i tezy pracy ... 10

2.1. Cel pracy... 10

2.2. Tezy pracy ... 10

3. Podstawowe wielkości opisujące proces spalania ... 11

3.1. Wprowadzenie ... 11

3.2. Współczynnik nadmiaru powietrza ... 11

3.3. Temperatura zapłonu – inicjacja procesu spalania ... 13

3.4. Temperatura płomienia ... 14

3.5. Prędkość spalania ... 18

3.5.1. Laminarna prędkość spalania ... 18

3.5.2. Turbulentna prędkość spalania ... 23

4. Związki toksyczne powstające w procesie spalania ... 27

4.1. Wprowadzenie ... 27

4.2. Tlenek węgla ... 28

4.3. Tlenki azotu ... 30

4.3.1. Wprowadzenie ... 30

4.3.2. Mechanizm termiczny Zeldowicza ... 30

4.3.3. Mechanizm szybki ... 31

4.3.4. Mechanizm reakcji podtlenku azotu ... 32

4.4. Podsumowanie ... 32

5. Spalanie w przepływie z silnym zawirowaniem... 33

5.1. Wprowadzenie ... 33

5.2. Przepływ z silnym zawirowaniem ... 33

5.3. Palniki wirowe ... 36

6. Aparatura i sprzęt badawczy ... 40

6.1. Wprowadzenie ... 40

6.2. Sprzęt do obliczeń numerycznych ... 40

6.3. Badania eksperymentalne ... 41

6.3.1. Komora spalania ... 41

6.3.2. Układ doprowadzenia powietrza ... 42

6.3.3. Układ zasilania paliwem ... 44

6.3.4. Układ do pomiaru temperatury wewnątrz komory ... 45

6.3.5. Układ do pomiaru udziałów molowych związków chemicznych wewnątrz płomienia 46

6.3.6. Układ do pomiaru prędkości wewnątrz komory spalania... 48

6.3.7. Układ trawersujący ... 49

7. Obliczenia numeryczne ... 51

7.1. Wprowadzenie ... 51

7.2. Obliczenia podstawowych parametrów procesu spalania ... 51

7.3. Obliczenia CFD ... 55

7.3.1. Model na potrzeby symulacji ... 55

7.3.2. Siatka obliczeniowa ... 56

7.3.3. Ustawienia solwera ... 58

7.3.4. Wyniki obliczeń CFD ... 60

8. Wyniki badań eksperymentalnych. ... 77

8.1. Wstęp ... 77

8.2. Rozkład związków chemicznych wewnątrz płomienia ... 77

8.3. Rozkład prędkości wewnątrz płomienia ... 84

9. Podsumowanie i wnioski ... 86

Bibliografia ... 88

Załączniki ... 92

A. Spis rysunków ... 92

B. Spis tabel... 95

3

Streszczenie

W pracy przedstawiony został opis procesu spalania paliw gazowych z silnym zawirowaniem w modelowej komorze spalania turbiny gazowej. Szczególny nacisk został położony na paliwa zawierające w swoim składzie znaczne ilości gazów inertnych, takich jak azot oraz dwutlenek węgla. Przedstawione zostały wyniki badań eksperymentalnych i obliczeń numerycznych.

Dla analizowanych paliw wykonano badania eksperymentalne w doświadczalnej komorze spalania turbiny gazowej. Była to komora typu silosowego. W trakcie badań analizowano wpływ udziału molowego gazów inetrnych (azot) jak i współczynnika nadmiaru powietrza na przebieg procesu spalania. Wielkościami mierzonymi były rozkłady temperatury i produktów spalania wewnątrz komory jak również emisja związków toksycznych w kanale wylotowym.

Równocześnie z badaniami eksperymentalnymi prowadzone były obliczenia numeryczne mające na celu wyznaczenie adiabatycznej temperatury spalania oraz laminarnej prędkości propagacji płomienia. Wykonane zostały także obliczenia procesu przepływu ze spalaniem, tzw. obliczenia CFD (Computational Fluid Dynamics) w programie Ansys FLUENT®. Obliczenia te zostały wykonane dla uproszczonego modelu geometrycznego, w którym między innymi nie uwzględniono otworów i okien pomiarowych. Najistotniejszym zadaniem w tym etapie było wygenerowanie siatki obliczeniowej, dzięki której obliczenia dawały stabilne wyniki umożliwiające porównanie jakościowe z wynikami badań eksperymentalnych. W tej części wykonane zostały także obliczenia dla mieszanin palnych, gdzie gazem inertnym był dwutlenek węgla.

Badania nad wykorzystaniem paliw niskokalorycznych, takich jak: gazy ziemne

zaazotowane, biogazy i mieszaniny gazu ziemnego z biogazem, mają ogromne znaczenie,

zwłaszcza w Polsce, gdzie energetyka opiera się w zdecydowanej większości na spalaniu

węgla – kamiennego i brunatnego. Wykorzystanie nienormatywnych paliw gazowych

w wysokosprawnych układach parowo-gazowych pozwoli znacząco obniżyć emisję

związków toksycznych do atmosfery, głównie tlenków azotu oraz zanieczyszczeń w postaci

dwutlenku węgla.

4

Abstract

In this dissertation the combustion process of gaseous fuels in turbine combustion chamber were described. The author focused on a fuels with a significant amount of inert gases like nitrogen and carbon dioxide. There were presented result from the experiments and numerical calculations.

For presented fuels were performed experimental studies in an experimental combustion chamber of gas turbine. It was a silo combustion chamber. During the experiment the effect of molar fraction of inert gas (nitrogen) and excess air ratio on the temperature and chemical compounds inside the combustion chamber as well as the emission of toxic compounds in the outlet channel were analysed.

At the same time the numerical calculation were performed. There were calculated adiabatic flame temperature and laminar flame speed. Except this calculation an Ansys FLUENT® for CFD calculation was used. In this program calculation were performed for simplified geometrical model of the combustion chamber. There were not included a measuring holes and windows. The most important thing in this stage was to prepared a computational grid, which gave a stable and good quality results. This results were compared qualitatively with the experimental results. In this part there were also prepared calculation for fuel with other inert gas – carbon dioxide.

Research of use these types of fuel, nitrogen-rich natural gases, biogases and mixtures

of natural gases with biogases, is very important, especially in Poland, where energy

production is based on coal and lignite. The use of non-standard gaseous fuels in high-

performance combined cycle will significantly reduce emission of toxic compounds into the

atmosphere, especially nitric oxides and carbon monoxide.

5

Wykaz oznaczeń i symboli

Symbol Znaczenie Jednostka

A pole przekroju

c prędkość

c

, c

Ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, objętości

d średnica

G

strumień pędu strugi

G

strumień krętu strugi

h entalpia

L całkowa skala turbulencji

L

aktualna ilość powietrza

L

stechiometryczne zapotrzebowanie powietrza

m masa

N

moc doprowadzona w paliwie

p ciśnienie

q ciepło

strumień ciepła

r promień

S liczba wirowa

S

laminarna prędkość spalania

S

turbulentna prędkość spalania

T temperatura

u' średnia kwadratowa fluktuacji prędkości

u, v, w składowe prędkości w kierunkach x, y, z

V objętość

X, Y położenie w osi x, y

α stopień dysocjacji

δ

grubość płomienia

6

Symbol Znaczenie Jednostka

η skala turbulencji Kolmogorova

λ współczynnik nadmiaru powietrza

ρ gęstość

τ czas reakcji chemicznej

7

1. Wprowadzenie

We współczesnym świecie energetyka odgrywa bardzo istotną rolę w życiu obywateli.

Stale rosnące zapotrzebowanie na energię, zarówno cieplną jak i elektryczną, zmusza nas do poszukiwania nowych rozwiązań oraz nowych źródeł energii, w tym także alternatywnych i odnawialnych.

Kierunek rozwoju energetyki w Polsce wyznaczony został w dokumencie „Polityka energetyczna Polski do 2030 roku” [1]. Regulowany on jest także przez dyrektywy unijne, co przedstawiono w raporcie Unii Europejskiej [2]. Opisują one główne kierunki rozwoju energetyki, wśród których najważniejsze to redukcja emisji związków toksycznych, redukcja emisji CO ₂ (co wiąże się głównie z redukcją zużycia paliwa) oraz zwiększenie udziału energetyki odnawialnej.

Zużycie paliw w Polsce jest monitorowane i udostępnianie do wiadomości publicznej przez Główny Urząd Statystyczny [3].

Osiągnięcie postanowień przedstawionych w [1] wymaga wprowadzenie drastycznych zmian w systemie energetycznym poprzez:

 znaczne ograniczenie lub odejście od energetyki opartej na węglu;

 dywersyfikacja źródeł energii;

 promowanie energetyki rozproszonej;

 zwiększenie udziału energetyki odnawialnej w bilansie energetycznym.

Spalanie węgla wiąże się ze znaczną emisją związków toksycznych (związki siarki – SO ₂ , tlenki azotu – NO _X ), pyłów (dotyczy to szczególnie starych kotłów na paliwo stałe w budownictwie jednorodzinnym – tzw. niska emisja) oraz dwutlenku węgla – CO ₂ . Z tego względu tak istotne jest ograniczenie udziału energetyki opartej na węglu.

Ograniczenie zużycia węgla wymusza z kolei poszukiwanie innych źródeł energii.

Oprócz źródeł paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny czy ropa naftowa, skupić się należy na

energii ze źródeł alternatywnych. Spośród nich można wymienić energię wiatru, słońca, ziemi

(geotermia), a także energię ze śmieci, z odpadów organicznych (produkcja biogazu) oraz

zgazowania biomasy jak i odpadów przemysłowych (syngaz). Te źródła energii powinny

stanowić podstawę do rozwoju energetyki rozproszonej, a więc takiej, gdzie odległość od

miejsca wytworzenia do punktu odbioru jest jak najmniejsza i ekonomicznie opłacalna.

8

Energetyka rozproszona ma jeszcze jedną ogromną zaletę – pozwala znacząco zmniejszyć straty związane z przesyłem energii. W przypadku przestarzałej sieci elektroenergetycznej w Polsce, straty przesyłowe stanowią co najmniej 7% energii wprowadzonej do sieci [4].

Najprostszą alternatywą do spalania węgla jest w Polsce wykorzystanie własnych zasobów gazu ziemnego zaazotowanego. Mapę polskich złóż gazu przedstawia rysunek 1.1.

Rysunek 1.1. Mapa rozmieszczenia złóż gazu ziemnego i ropy naftowej w Polsce [5]

Uzupełnieniem mapy z rysunku 1.1 jest mapa na rysunku 1.2, gdzie przedstawiono

obszary perspektywiczne dotyczące wydobycia gazu łupkowego.

9

Rysunek 1.2. Mapa rozmieszczenia pokładów skał łupkowych w Polsce [6]

Analizując obydwie mapy widać, że źródła gazu ziemnego pokrywają znaczną część obszaru kraju, dzięki czemu energetyka rozproszona oparta o spalanie gazu powinna stanowić znaczny udział w bilansie energetycznym kraju.

Oprócz energii opartej na spalaniu gazu ziemnego, w tym zaazotowanego, należy zwrócić uwagę na biogaz. Biogaz jest gazem powstającym w wyniku przetworzenia odpadów organicznych (ścieki, gnojowica, biomasa). Najpowszechniejszą techniką wytwarzania biogazu jest fermentacja metanowa. Ze względu na swój skład - biogaz składa się głównie z metanu i dwutlenku węgla –może on być wykorzystany do produkcji energii, poprzez bezpośrednie spalania w silnikach gazowych lub turbinach gazowych.

Ze względu na różnice w składzie pomiędzy gazem ziemnym zaazotowanym za

biogazem, w celu zapewnienia ciągłości pracy układów zasilanych głównie przez biogaz,

konieczne jest opracowanie i zaprojektowanie palników, które bez żadnych modyfikacji będą

mogły pracować zarówno na gazie ziemnym jak i biogazie. Badania nad takim rozwiązaniem

przedstawione zostały w niniejszej dysertacji.

10

2. Cel i tezy pracy

2.1. Cel pracy

Celem naukowym prezentowanej rozprawy było zbadanie wpływu udziału molowego gazów interntnych takich jak azot i dwutlenek węgla w mieszaninie z metanem na proces spalania w przepływie w modelowej komorze spalania turbiny gazowej. Uwzględniony został także wpływ współczynnika nadmiaru powietrza, a szczególną uwagę skierowano na stabilność płomienia oraz emisję związków toksycznych takich jak CO i NO X .

Celem praktycznym było opracowanie procedur pozwalających na uzyskanie stabilnych numerycznie i jak najbliższych rzeczywistości wyników za pomocą dostępnych modeli wykorzystywanych we współczesnych programach do obliczeń numerycznych.

Ze względu na różnorodność składu występujących w Polsce gazów ziemnych, a także rozwój w zakresie alternatywnych źródeł energii takich jak biogaz, konieczne jest stworzenie konstrukcji komory spalania pozwalającej spalać gazy zawierające w swym składzie zarówno azot jak i dwutlenek węgla.

Osiągnięcie założonych celów możliwe było poprzez wykonanie badań eksperymentalnych i obliczeń numerycznych.

2.2. Tezy pracy

Na podstawie analizy literatury oraz badań wstępnych przeprowadzonych przez autora w Laboratorium Technologii Gazowych Politechniki Poznańskiej, możliwe było sformułowanie następujących tez rozprawy.

1. Możliwe jest uzyskanie stabilnego płomienia podczas spalania paliw niskokalorycznych w szerokim zakresie parametrów operacyjnych, takich jak skład molowy paliwa oraz współczynnik nadmiaru powietrza.

2. Możliwe jest spalanie gazów ziemnych o różnym składzie molowym z wykorzystaniem jednej geometrii palnika, bez znaczących modyfikacji.

3. Możliwe jest zastosowanie obliczeń CFD do modelowania procesu spalania gazów

niskokalorycznych w turbinach gazowych przy ograniczonej sprzętowo wersji

oprogramowania.

11

3. Podstawowe wielkości opisujące proces spalania

3.1. Wprowadzenie

W literaturze proces spalania zdefiniowany jest jako „szybkie utlenianie paliw ze znacznym wydzielaniem ciepła, manifestujące się widocznym płomieniem” [7].

W tym rozdziale przedstawione zostaną podstawowe wielkości fizyczne opisujące proces spalania, takie jak:

 współczynnik nadmiaru powietrza;

 temperatura zapłonu;

 temperatura płomienia;

 prędkość spalania.

Pozwolą one zrozumieć procesy, jakie zachodzą w trakcie spalania paliw gazowych.

Na potrzeby tej pracy autor skupił się na spalaniu mieszanin gazowych, w których głównym składnikiem palnym jest metan – CH 4 .

3.2. Współczynnik nadmiaru powietrza

Współczynnik nadmiaru powietrza λ, określa stosunek aktualnej ilości powietrza dostarczanego do komory spalania do teoretycznej ilości potrzebnej do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa. Zapotrzebowanie teoretyczne (stechiometryczne) można obliczyć na podstawie analizy równań chemicznych opisujących utlenianie metanu. Reakcję spalania metanu w tlenie przedstawiono za pomocą reakcji (3.1):

(3.1)

Z równania (3.1) wynika, iż do spalenia jednego mola metanu potrzebne są dwa mole tlenu.

Na tej podstawie można wyznaczyć ilość powietrza potrzebnego do spalenia jednego mola metanu, co można zapisać:

(3.2)

12

Na podstawie powyższego równania (3.2) stechiometryczna ilość powietrza potrzebna do procesu spalania metanu wynosi 9,52 mola. Znając tą zależność, można zapisać równanie na obliczenie wartości współczynnika nadmiaru powietrza w postaci:

(3.3)

gdzie:

 L _amin – stechiometryczna ilość powietrza;

 L _a – aktualna ilość powietrza.

Współczynnik nadmiaru powietrza może także zostać wyznaczony na podstawie analizy składu spalin. W tym celu należy dokonać pomiaru ilość tlenu lub dwutlenku węgla w spalinach. Wartości zmierzone należy podstawić do równania (3.4):

(3.4)

w przypadku pomiaru ilości tlenu lub do równania (3.5):

(3.5)

w przypadku pomiaru ilości dwutlenku węgla.

Na podstawie wartości współczynnika nadmiaru powietrza możemy określić, czy mieszanka palna jest bogata czyli λ bliskie jedności, czy uboga czyli λ>1.

Wartość współczynnika nadmiaru powietrza, a tym samym skład mieszaniny palnej wpływa na szereg parametrów procesu spalania, takich jak: adiabatyczna temperatura spalania, laminarna prędkość spalania, grubość płomienia, emisja związków toksycznych.

Przykładowe zależności pokazano na rysunku 3.1.

13

Rysunek 3.1. Zależność laminarnej prędkości spalania i grubości płomienia od wartości współczynnika nadmiaru powietrza [8]

3.3. Temperatura zapłonu – inicjacja procesu spalania

Zapłon mieszanki może nastąpić na drodze jednego z dwóch mechanizmów – termicznego lub chemicznego. Mechanizm chemiczny polega na inicjacji reakcji chemicznych prowadzących do szybkiej propagacji płomienia, w skrajnym przypadku do detonacji poprzez wzrost ilości wolnych rodników powyżej stężenia krytycznego [9].

Mechanizm termiczny zapłonu przedstawiono w formie graficznej na rysunku 3.2.

Rysunek 3.2. Graficzna interpretacja termicznej teorii zapłonu: 1 – ciepło reakcji chemicznej, 2 –

ciepło przejmowane przez ścianki, T

– temperatura zapłonu, T

– temperatura

ścianki w granicznym przypadku samozapłonu

14

Opis ten został zaproponowany przez Semenowa i przedstawiony w [9]. W tym przypadku mieszanina ograniczona jest ścianami naczynia. Krzywa 1 na rysunku 3.2 reprezentuje szybkość wydzielania się ciepła w wyniku reakcji chemicznej i jej przebieg jest właściwy dla reakcji utleniania węglowodorów. Można ją zatem przedstawić jako człon q 1

generujący ciepło w równaniu (3.6). Proste 2 reprezentują natomiast utratę ciepła przez ścianki naczynia q 2 .

(3.6)

Dla temperatury T’ ot krzywa 1 przecina prostą 2 w dwóch punktach – A i B. Poniżej punktu A i powyżej B, ciepło generowane w wyniku reakcji jest większe od ciepła traconego, a więc q 1 >q 2 , co oznacza, że samozapłon nastąpi dla temperatury ścianki równej T’ ot . Między punktami A i B ciepło generowane jest mniejsze od ciepła traconego, q ₁ <q ₂ , i do samozapłonu nie dojdzie. Oznacza to, że po samozapłonie należałoby doprowadzać ciepło aby podtrzymać reakcję. W przypadku granicznym, gdy temperatura ścianki wynosi T’’ ot , krzywa 1 i prosta 2 mają tylko jeden punkt wspólny - T Z . Po samozapłonie w tym punkcie ciepło generowane zawsze jest większe od traconego, q ₁ >q ₂ , i reakcja nie wygasa. W przypadku wyższej temperatury ścianki T’’’ ot samozapłon nastąpi zawsze, gdyż q ₂ <q ₁ .

Sposób termiczny zapłonu mieszanki można podzielić na 4 sposoby:

 podgrzewanie mieszaniny do temperatury równej lub wyższej od temperatury samozapłonu;

 działanie na mieszaninę otwartym płomieniem lub iskrą elektryczną;

 oddziaływanie gorącej powierzchni;

 oddziaływanie fali uderzeniowej – wzrost ciśnienia powodujący wzrost temperatury ponad temperaturę zapłonu.

3.4. Temperatura płomienia

Temperaturą płomienia nazywamy temperaturę, jaką uzyskują produkty w wyniku

reakcji utleniania. Zależy ona bezpośrednio od właściwości fizykochemicznych paliwa

i utleniacza, takich jak:

15

 składu paliwa;

 składu utleniacza;

 temperatury i ciśnienie substratów;

 wartości współczynnika nadmiaru powietrza;

 strumienia ciepła odprowadzanego z płomienia do otoczenia.

W literaturze można znaleźć różne określenia opisujące temperaturę spalania, jednakże wśród najczęściej spotykanych są:

 adiabatyczna temperatura spalania;

 teoretyczna temperatura spalania;

 temperatura płomienia.

Powyższe temperatury różnią się od siebie ze względu na przyjęty model ich obliczania [9].

Adiabatyczna temperatura spalania jest temperaturą niezdysocjowanych spalin przy założeniu spalania zupełnego z teoretyczną ilością powietrza. W tym przypadku spalanie zachodzi w warunkach izobarycznych i adiabatycznych, a układ termodynamiczny nie wykonuje pracy. Adiabatyczną temperaturę spalania można wyznaczyć na podstawie tablic ciepła spalania oraz ciepła tworzenia.

Teoretyczna temperatura spalania uwzględnia efekt dysocjacji produktów spalania (głównie H 2 O i CO 2 ), przy czym są to reakcje endotermiczne. Uwzględniana jest także zmiana ciepła właściwego produktów spalania wraz ze zmianą ich temperatury. Obliczenia teoretycznej temperatury spalania przeprowadza się z wykorzystaniem równań energii oraz równań opisujących zachodzące reakcje chemiczne dla warunków stechiometrycznych wraz z równaniami dysocjacji. Równanie (3.7) przedstawia dysocjację dwutlenku węgla, natomiast równanie (3.8) przedstawia dysocjację pary wodnej.

(3.7)

(3.8)

16

Dla wyznaczenia teoretycznej temperatury spalania konieczna jest znajomość składu produktów spalania jak również ilość zdysocjowanego dwutlenku węgla i pary wodnej.

Rysunek 3.3. Zależność współczynnika dysocjacji α od temperatury substratów dla CO

i H

O [10]

Na rysunku 3.3 przedstawiono zależność pomiędzy stopniem dysocjacji CO 2 oraz H 2 O a temperaturą reagentów. Dla temperatur spalania wyższych niż 2000K reakcje dysocjacji (endotermiczne) zaczynają odgrywać duże znaczenie. Dzieje się tak, ponieważ powyżej tej temperatury widoczny jest gwałtowny wzrost dysocjacji zarówno CO 2 jak i H ₂ O. Rozpad został opisany współczynnikiem α, który zdefiniować można jako iloraz sumy substratów i produktów reakcji rozkładu do ilości produktów tej reakcji. Obliczenia, których wynik przedstawiono na rysunku 3.3 wykonano przy użyciu programu STANJAN [11], opartego na obliczaniu minimum potencjału termodynamicznego (entalpii swobodnej Gibbsa) pierwiastków.

Temperatura płomienia jest liczona natomiast za pomocą mechanizmu nierównowagowego, obejmującego tylko czas spalania mieszanki we froncie płomienia przy użyciu równań opisujących proces spalania, które przedstawiono poniżej:

 równanie ciągłości przepływu

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

1000 1500 2000 2500 3000 3500

α [-]

T [K]

CO2 H2O

17

(3.9)

 równanie zachowania masy i-tego związku

(3.10)

 równanie zachowania energii

(3.11)

Należy mieć na uwadze, że w równaniu (3.11) λ oznacza współczynnik przewodzenia ciepła.

Entalpię całkowitą produktów można wyznaczyć korzystając ze wzoru:

(3.12)

Spośród wymienionych metod obliczania temperatury spalania, najwyższą wartość przyjmuje adiabatyczna temperatura spalania, najniższą natomiast temperatura płomienia. We wszystkich przypadkach maksymalna wartość temperatury otrzymywana jest dla warunków stechiometrycznych lub bliskich stechiometrycznych. Wynika to w faktu, iż dla λ=1 nie pozostają żadne cząstki utleniacza ani paliwa, które mogą odbierać ciepło. W pozostałych przypadkach, dla λ>1, ciepło odbierane jest przez nadmiarowe cząstki utleniacza, a dla λ<1 przez nie w pełni spalone paliwo – ilość wydzielonej energii ulega obniżeniu na skutek spalania niecałkowitego i niezupełnego.

Dobranie odpowiedniego sposobu prowadzenia procesu spalania, a tym samym

temperatury wylotowej za komorą spalania, na dolocie do łopatek kierowniczych, ma istotne

znaczenie ze względu na materiały używane do budowy turbin gazowych [12].

18

3.5. Prędkość spalania

Rozróżnić możemy dwa zasadnicze mechanizmy rozprzestrzeniania się płomienia – w przepływie laminarnym oraz turbulentnym. W przypadku płomienia laminarnego transport ciepła wywiązanego z reakcji odbywa się na drodze przewodzenia. W przypadku płomieni turbulentnych transport ciepła odbywa się na drodze typowej dla przepływów turbulentnych, a więc na zasadzie wymianu masy, pędu i energii.

3.5.1. Laminarna prędkość spalania

Proces spalania następuje zawsze w warstwie laminarnej, dlatego do opisu przepływu ze spalaniem można posłużyć się modelem przepływu laminarnego. Jego podstawowym parametrem jest laminarna prędkość spalania (S L ). Definiowana jest ona jako prędkość przemieszczania się płaskiego czoła płomienia względem świeżej mieszanki. Wyznaczana jest na drodze eksperymentów [13] lub za pomocą metod analitycznych.

W literaturze znaleźć można różne teorie wyznaczania S L . Jedną z prostszych metod, a jednocześnie obrazujących zależności pomiędzy właściwościami fizykochemicznymi paliwa i utleniacza jest teoria Mallard’a i Le Chatelier’a [14].

Mallard i Le Chatelier rozważali płaski front płomienia, inaczej falę spalania, który

rozprzestrzenia się względem mieszaniny z prędkością określaną jako laminarna. Rozkład

temperatury w płomieniu został przez nich podzielony na dwie strefy. Pierwsza strefa, δ _P , jest

strefą podgrzania a druga, δ _R , to strefa reakcji. Przyjęty przez Mallarda i Le Chatelier’a

podział płomienia został pokazany na rysunku 3.4

19

Rysunek 3.4. Podział płomienia laminarnego według metody Mallard Le Chatelier. T

– temperatura początkowa, T

–temperatura spalin, T

– temperatura zapłonu, δ

– strefa podgrzania, δ

– strefa reakcji

W strefie podgrzania (δ p ) następuje przepływ energii od produktów spalania do świeżej mieszanki tak, że jej temperatura zmienia się od temperatury początkowej T 1 do temperatury zapłonu T Z . Po osiągnięciu przez substraty temperatury zapłonu, następuje dalsza reakcja utleniania, której towarzyszy wydzielanie się ciepła. Proces kończy się gdy produkty spalania osiągną temperaturę T 2 , będącą temperaturą spalin. Ciepło potrzebne do podgrzania substratów przekazywane jest ze strefy reakcji na drodze przewodzenia. Przyjęcie takich założeń pozwoliło sformułować zależność opisującą laminarną prędkość propagacji płomienia S L :

(3.13)

W równaniu (3.13) λ oznacza współczynnik przewodzenia ciepła mieszanki gazu i utleniacza mierzony przed płomieniem. Grubość strefy reakcji δ _R nie jest znana, jest ona związana z czasem reakcji zależnością:

(3.14)

T T

T

T

δ

δ

20 równanie (3.13) można zapisać w postaci:

(3.15)

Czas reakcji τ c również pozostaje nieokreślony, można go jednak wyrazić za pomocą:

(3.16)

gdzie jest średnią szybkością reakcji, a c 2 jest koncentracją końcową produktów podczas całego czasu reakcji. Można zapisać także związek pomiędzy koncentracją spalin c 2 a ich gęstością ρ 2 i masą cząsteczkową μ ₂ :

(3.17)

Po uwzględnieniu zależności (3.16) i (3.17) w równaniu (3.15) otrzymujemy zależność na laminarną prędkość płomienia w postaci:

(3.18)

Obliczona w ten sposób laminarna prędkość płomienia jest jednak obarczona znacznym błędem. W celu dokładnego wyznaczenia laminarnej prędkości płomienia należy wykorzystać specjalistyczne programy numeryczne, np. Chemkin lub CANTERA, albo wyznaczyć tę wartość eksperymentalnie. Do najczęściej stosowanych metod eksperymentalnych zaliczyć można metody:

 geometryczną – wypływ mieszanki przez dyszę ostrokrawędziową;

 stałoobjętościową – naczynie sferyczne o stałej objętości;

21

 stałociśnieniową – bomba stałego ciśnienia.

 metodę Heat Flux [15, 16]

Jedną z metod stosowanych w Laboratorium Technologii Gazowych do wyznaczania laminarnej prędkości spalania jest metoda dyszy ostrokrawędziowej. Schematycznie przedstawiona została ona na rysunku 3.5, gdzie pokazano węglowodorowy płomień laminarny

Rysunek 3.5. Metoda wyznaczania laminarnej prędkości spalania przy użyciu metody dyszy ostrokrawędziowej (fotografia autorstwa Michała Gołębiewskiego, wykonana na stanowisku do optycznej wizualizacji płomienia przy wykorzystaniu metody Schlierena)

Znając objętościowe natężenie przepływu paliwa V _g i utleniacza V _p oraz średnicę dyszy d, możliwe jest wyznaczenie prędkości wypływu mieszanki u ₁ na podstawie zależności:

(3.19)

Znajomość prędkości wypływu paliwa oraz połowiczny kąt stożka płomienia α wyznaczony na podstawie wizualizacji procesu spalania, umożliwia wyznaczenie laminarnej prędkości spalania na podstawie zależności (3.20):

α

22

(3.20)

Wyniki eksperymentalne pomiarów laminarnej prędkości spalania metanu wykazują rozbieżności dla różnych zespołów badawczych oraz przy użyciu różnych metod.

Szczegółowo zostało to opisane w pracy [13]. Wyniki wspomnianych eksperymentów przedstawiono na rysunku 3.6.

Rysunek 3.6. Wyniki pomiarów eksperymentalnych laminarnej prędkości spalania metanu w powietrzu uzyskane przez różne zespoły badawcze [13]. Linia ciągła przedstawia wyniki symulacji z wykorzystanie mechanizmu GRI 3.0

Wyjaśnienie rozbieżności zaprezentował jeden z autorów wspomnianego artykułu, Joachim Beeckmann z Uniwersytetu Aachen, na konferencji LBV 2015 w Rouen we Francji [17]. Skupił się on głównie na wynikach uzyskanych metodą stałoobjętościową, dla której różnice wynikają głównie z:

 wymiarów geometrycznych komory sferycznej;

 sposobu pomiaru ilości mieszanki w procesie napełniania komory (pomiar ciśnienia

cząstkowego, pomiar za pomocą przepływomierzy masowych);

23

 metody oraz jakości wykonanego zdjęcia płomienia (PIV, Schlieren, Shadow oraz rozmiar pojedynczego piksela)

3.5.2. Turbulentna prędkość spalania

Przedstawione w rozdziale 3.5.1 spalanie laminarne charakteryzuje się małą intensywnością wymiany ciepła, przez co praktycznie nie jest stosowane w technice. W celu zintensyfikowania wymiany ciepła, a jednocześnie zachowaniu niewielkich rozmiarów urządzeń, wykorzystuje się spalanie turbulentne. Uzyskanie stabilności płomienia w przypadku spalania turbulentnego wymaga zaistnienia w głównym strumieniu mieszaniny palnej obszaru o prędkości lokalnej niższej lub równej prędkości propagacji płomienia. Ze względu na charakter przepływu, który można przyrównać do kaskady wirów, opis tego zjawiska jest bardzo trudny.

Pierwsze próby zrozumienia zjawiska płomieni turbulentnych poczynił Damköhler [18]. Powiązał on wzrost szybkości reakcji spalania ze zwiększeniem pofałdowania czoła płomienia, co zostało także podkreślone w [19]. Powoduje to zwiększenie powierzchni płomienia i jego zdolność do zasysanie świeżej mieszanki [20]. Takie podejście pozwoliło sformułować prostą zależność na obliczenie turbulentnej prędkości spalania:

(3.21)

W równaniu (3.21) S T oznacza turbulentną prędkością spalania, a u’ średnią kwadratową wartości fluktuacji prędkości. Wraz ze wzrostem prędkości zależność (3.21) można uprościć do formy:

(3.22)

Oznacza to, że turbulentna prędkość spalania w niewielkim stopniu zależy od rodzaju gazu i wartości współczynnika nadmiaru powietrza.

Z zebranych przez Karlovitza [21] wyników prac doświadczalnych wynika, że

płomień bardzo wyraźnie zmienia obraz turbulencji. Wyniki badań eksperymentalnych nie

zgadzały się z równaniami teoretycznymi, a różnica została wytłumaczona wpływem

płomienia na poziom turbulencji.

24

Opisanie wpływu płomienia na turbulencję możliwe było po podzieleniu turbulentnego zakresu rozprzestrzeniania się płomienia na trzy podzakresy:

 płomień laminarny pomarszczony (z ang. wrinkled flame);

 spalanie w wirach o dużej skali turbulencji;

 spalanie w wirach o małej skali turbulencji.

Wraz ze wzrostem prędkości wypływu mieszanki intensywność turbulencji rośnie, a pojawiające się wiry powodują pofałdowanie powierzchni płomienia. Dalsze zwiększanie prędkości powoduje coraz intensywniejsze pofałdowanie powierzchni, co prowadzi do utracenia ciągłości. Spalanie będzie przebiegać nie tylko na powierzchni głównej płomienia, ale także na powierzchni oderwanych wirów dużej skali.

W przypadku przepływów ze spalaniem o największych intensywnościach turbulencji dominujące są struktury o małej skali turbulencji. Spalanie w tym modelu nie jest ograniczone do warstw na granicy dużych wirów, ale przebiega w mikroobszarach. Są to tak zwane włókna wirowe [14].

Określenie rodzaju płomienia turbulentnego możliwe jest po wyznaczeniu wartości liczb kryterialnych. Liczby te przedstawiono poniżej i są to odpowiednio: turbulentna liczba Reynoldsa (3.23), liczba Damköhlera (3.24) i liczba Karlovitza (3.25)

(3.23)

(3.24)

(3.25)

Turbulentna liczba Reynoldsa Re T opisuje stosunek siły pędu (siła destabilizujące

płomień) do siły lepkości (siła stabilizująca płomień). Płomień w przepływie o wysokiej

wartości turbulentnej liczby Reynoldsa charakteryzuje się dużymi fluktuacjami. Liczba

Damköhlera jest zdefiniowana jako skala czasowa mieszania turbulentnego L/u' w stosunku

do skali czasowej reakcji chemicznych δ _L /S _L . Dla dużych wartości liczby Damköhlera

(Da>>1) proces spalania kontrolowany jest przez intensywne procesy mieszania, a reakcje

25

zachodzą bardzo szybko. Charakteryzuje się to wyraźnie widocznym czołem płomienia. Przy niskich wartościach liczby Damköhlera (Da<1) spalanie kontrolowane jest przez kinetykę reakcji, a płomień ma charakter zbliżony do płomienia uzyskiwanego w reaktorze idealnego wymieszania (z ang. well-stirred reactor). Liczba Karlovitza wiąże grubość strefy reakcji reprezentowanej przez laminarną grubość płomienia δ L z najmniejszą skalą turbulencji - mikroskalą Kolmogorova. Wpływ wartości liczb kryterialnych na kształt płomienia przedstawiono w tabeli 3.1,

Tabela 3.1 Rodzaj płomieni turbulentnych w zależności od wartości liczb kryterialnych

Re

Da Ka u’/S

δ

/η

Płomień

pomarszczony >1 >1 <1 <1 <1

Duża skala

turbulencji >1 >1 <1 >1 <1

Mała skala

turbulencji >>1 ≥1 >1 >>1 >1

natomiast rysunku 3.7 przedstawiono wykres Borghi [22]. Prezentuje on podział płomieni turbulentnych w zależności od stopnia turbulencji przepływu oraz właściwości paliw gazowych.

Rysunek 3.7. Wykres Borghi – klasyfikacja płomieni w funkcji liczb kryterialnych

26

Inni badacze, Ballal i Lefebvre, na podstawie swoich badań [23] podali zależności między prędkością laminarną a poziomem turbulencji. Wprowadzili oni również trzy zakresy opisujące płomień w zależności od poziomu turbulencji:

 niska turbulencja u’<2S L , η>δ L ;

 średnia turbulencja u’~2S _L , η~δ _L ;

 wysoka turbulencja u’>2S _L , η<δ _L .

Dla wymienionych zakresów korelacje pomiędzy prędkością laminarną a turbulentną przedstawione zostały w następującej postaci:

 dla niskiego poziomu turbulencji

(3.26)

 dla średniego poziomu turbulencji

(3.27)

 dla wysokiego poziomu turbulencji

(3.28)

W równaniach (3.23)-(3.28) L oznacza całkową skalą turbulencji, δ _L – grubość płomienia, a η – mikroskalą turbulencji Kołmogorowa.

Jak można zauważyć, wszystkie przedstawione powyżej zależności opierają się na

prędkości laminarnej propagacji płomienia. Jak zostanie to pokazane w rozdziale 7.2, wzrost

ilości gazów inerntych powoduje obniżenie laminarnej prędkości spalania, co oznacza

pogorszenie stabilności płomienia. Jednakże wytworzenie zawirowania i wewnętrznej strefy

recyrkulacji znacząco tę stabilność poprawia.

27

4. Związki toksyczne powstające w procesie spalania

4.1. Wprowadzenie

Analizując równanie (3.2) można sądzić, że spalanie paliwa gazowego, którego głównym składnikiem palnym jest metan, nie powoduje emisji związków toksycznych takich jak tlenek węgla czy tlenki azotu do atmosfery, a wyłącznie produkty spalania całkowitego i zupełnego. W warunkach rzeczywistych palniki muszą charakteryzować się możliwością pracy przy zmiennym obciążeniu, co może prowadzić do spalania niecałkowitego i niezupełnego (dla obciążeń minimalnych). Jako utleniacz stosuje się powietrze, z którego azot w obszarze wysokich temperatur może reagować z tlenem tworząc tlenki azotu.

Dodatkowo proces utleniania metanu jest procesem bardzo złożonym. Rekcje elementarne procesu utleniania metanu przedstawiono w tabeli 4.1.

Tabela 4.1 Model 23 reakcji elementarnych zachodzących przy spalaniu metanu w powietrzu [19]

Lp. Reakcja A b E

[–] [mol, cm

, s] [–] [cal/mol]

1 CH

+ H+M=CH

+M 8,0E26 -3,0 0

2 CH

+H=CH

+H

2,2E4 3,0 8750

*3 CH

+O=CH

+OH 1,6E6 2,36 7400

4 CH

+OH=CH

+H

O 1,6E6 2,1 2460

5 CH

+O=CH

O+H 6,8E13 0,0 0,0

*6 CH

+OH=CH

+H

O 1,5E13 0,0 5000

*7 CH

+O

=CO

+H+H 1,6E12 0,0 1000

*8 CH

+O

=CO

+H

6,9E11 0 500

9 CH

O+H=HCO+H

2,19E8 1,77 3000

10 CH

O+OH=HCO+H

O 3,49E9 1,18 -477

11 HCO+H=CO+H

4,00E13 0 0

12 HCO+M=H+CO+M 1,60E14 0 14 700

13 HCO+O

=HO

+CO 3,3E13 -0,4 0

14 CO +OH=CO

+H 1,5E7 1,3 -758

15 H+O

=OH+O 5,13E16 -0,816 16 507

16 O+H

=OH+H 1,8E10 1,0 8826

17 OH+H

=H

O+H 1,17E9 1,3 3626

18 OH+OH=H

O+O 6,0E8 1,3 0

19 H+O

+M=HO

+M

3,61E17 -0,72 0

20 H+OH+M=H

O+M

1,6E22 -2,0 0

21 H+HO

=OH+OH 1,4E14 0,0 1073

22 H+HO

=H

+O

1,25E13 0 0

23 OH+HO

=H

O+O

7,5E12 0 0

Szczegółowy mechanizm spalania metanu został opracowany na podstawie badań eksperymentalnych przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley [24].

Oprócz utleniania metanu uwzględnia on także mechanizmy powstawania tlenków azotu.

28

Z punktu widzenia ekologii, oprócz tlenku węgla i tlenków azotu, o które zostaną omówione szczegółowiej w dalszej części tego rozdziału, istotna jest emisja dwutlenku węgla.

Jest ona zależna od rodzaju spalanego paliwa, a dokładniej od ilości atomów węgla w cząstce paliwa i jego wartości opałowej. Emisję CO 2 w zależności od rodzaju paliwa przedstawiono na rysunku 4.1.

Rysunek 4.1. Emisja dwutlenku węgla w kg na GJ energii dla różnych paliw. Wykres stworzony na podstawie danych z [25]

Na powyższym rysunku widać, że najniższą emisją dwutlenku węgla na jednostkę energii charakteryzują się paliwa gazowe (gaz ziemny, gaz koksowniczy, biogaz). Dzięki temu paliwa te stanowią alternatywę dla węgli. Dodatkowym atutem urządzeń zasilanych paliwami gazowymi jest możliwość szybkiej (czas odpowiedzi na sygnał znacznie krótszy niż w przypadku urządzeń zasilanych węglem) zmiany parametrów pracy.

4.2. Tlenek węgla

Tlenek węgla, potocznie określany jako czad, jest substancją silnie toksyczną. Wynika to z większego od tlenu powinowactwa do hemoglobiny, z którą tworzy karboksyhemoglobinę. Blokuje ona transport tlenu w organizmie, co prowadzi do niedotlenienia tkanek i w konsekwencji może prowadzić do śmierci.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Emisja CO

[kg/GJ]

29

Węgiel zawarty w paliwie w procesie spalania przechodzi przez stadium tlenku węgla.

Dlatego też metody mające na celu obniżenie jego emisji polegają w głównej mierze na przyspieszeniu jego utleniania do znacznie mniej szkodliwego CO ₂ .

Tlenek węgla powstaje w dużych ilościach głównie w obszarach, w których występuje niedobór tlenu. Może on także powstać w rejonach, gdzie ilość powietrza jest bliska wartości stechiometrycznej, ale ze względu na wysoką temperaturę może dochodzić do dysocjacji dwutlenku węgla, co pokazano na rysunku 3.3 w rozdziale 3.4.

W praktyce najwyższe stężenia tlenku węgla występuje podczas pracy urządzeń przy niewielkich obciążeniach (poniżej nominalnego punktu pracy). Obserwacje te są sprzeczne z wynikami obliczeń wynikającymi z zasad równowagi termodynamicznej. Świadczy to o tym, że duże ilości CO powstają na skutek spalania niezupełnego. Może to być spowodowane:

 małą miejscową prędkością spalania wynikającą z lokalnie występującej ubogiej mieszanki i wydłużenia czasu przebywania reagentów;

 niewystarczającym wymieszaniem paliwa z powietrzem, w wyniku czego powstają obszary bogatej mieszanki oraz obszary ubogiej mieszanki, gdzie temperatura jest zbyt niska by podtrzymać proces spalania;

 gwałtownym wystudzeniem produktów spalania od ścian urządzenia pracującego przy zbyt małym obciążeniu cieplnym.

Reakcja utleniania tlenku węgla jest reakcją stosunkowo wolną, co determinuje określenie minimalnego czasu przebywania, niezbędnego do spalania całkowitego [26, 27].

W zależności od temperatury może zachodzić w różny sposób. W niskich temperaturach utlenianie zachodzi na drodze reakcji z parą wodną (4.1), natomiast przy wysokich temperaturach w reakcji udział bierze rodnik OH (4.2).

(4.1)

(4.2)

Redukowanie emisji tlenku węgla polega głównie na jak najdokładniejszym

wymieszaniu paliwa z utleniaczem oraz dostarczeniu odpowiedniej ilości tego utleniacza. Dla

paliw gazowych ilość powietrza powinna być większa od ilości stechiometrycznej.

30

4.3. Tlenki azotu

4.3.1. Wprowadzenie

Azot, główny składnik powietrza, uważany jest za gaz neutralny, a w paliwach niskokalorycznych jest balastem. Jednakże w procesie spalania dochodzi do reakcji azotu z tlenem. Powstające w ten sposób tlenki azotu można podzielić w zależności od mechanizmu, według którego powstają. Wyróżnić możemy cztery mechanizmy powstawania tlenków azotu:

 termiczny Zeldowicza;

 szybki (ang. prompt);

 reakcja podtlenku azotu N 2 O;

 paliwowy.

Ostatni z wymienionych mechanizmów ma znaczenie podczas spalania paliw, gdzie azot związany jest w cząsteczce paliwa. Ma to miejsce głównie w przypadku spalania paliw stałych, które nie są tematem niniejszej rozprawy. Pozostałe mechanizmy zostaną omówione w kolejnych rozdziałach.

4.3.2. Mechanizm termiczny Zeldowicza

Mechanizm tworzenia termicznych tlenków azotu jest ściśle związany z temperaturą oraz koncentracją azotu i tlenu atomowego. Zakłada on powstawanie NO na drodze 3 reakcji [28]:

(4.3)

(4.4)

(4.5)

Reakcja (4.3) determinuje powstawanie tlenków azotu w tym mechanizmie. Zachodzi

ona w wysokiej temperaturze za względu na bardzo dużą energię aktywacji potrzebną do

rozbicia wiązań potrójnych w azocie. Dlatego też obniżanie emisji termicznych tlenków azotu

może być realizowany poprzez obniżenie temperatury spalania.

31

Opisany powyżej mechanizm daje dobre wyniki dla procesu spalania z temperaturą płomienia powyżej 2000 K. Przy niższych temperaturach kluczową rolę odgrywa kolejny mechanizm – tzw. mechanizm szybki.

4.3.3. Mechanizm szybki

Mechanizm szybki został przedstawiony przez Fenimore’a [29]. Wyjaśnia on wyższy poziom NO przy spalania mieszanek bogatych w paliwo węglowodorowe.

Mechanizm szybki inicjowany jest przez bardzo szybką reakcję rodników węglowodorowych CH z azotem cząsteczkowym, który prowadzi do powstania cyjanowodoru HCN. Reakcję tę przedstawia równanie (4.6).

(4.6)

Powstały cyjanowodór reaguje z rodnikami O lub OH, tworząc rodniki NCO i NC, co opisują równania (4.7)-(4.9).

(4.7)

(4.8)

(4.9)

W kolejnym kroku zachodzą reakcje pomiędzy rodnikami O, OH oraz tlenem a powstałym wcześniej rodnikiem NCO. Produktami tych reakcji jest tlenek azotu oraz w głównej mierze tlenek węgla.

(4.10)

(4.11)

(4.12)

Znaczna koncentracja NO występuje w strefie przed płomieniem, gdzie temperatura

nie przekracza 2000 K. Zarówno w tej strefie jak i we froncie płomienia występują rodniki

węglowodorowe wynikające z termicznego rozpadu paliw węglowodorowych. Dlatego też

głównym czynnikiem pozwalającym obniżyć emisję jest obniżenie temperatury spalania.

32

Można tego dokonać poprzez prowadzenie procesu spalania wielostopniowo lub poprzez wykorzystanie paliw o niższej adiabatycznej temperaturze spalania, np. gazów ziemnych zaazotowanych lub biogazu.

4.3.4. Mechanizm reakcji podtlenku azotu

Badania procesu spalania mieszanek ubogich dla temperatury nieprzekraczającej 1800 K wykazują, że koncentracja NO jest wyższa niż wynika to z dwóch wcześniej opisanych mechanizmów. W swoich pracach, J. Tomeczek i B. Gradoń [30, 31], uwzględniają podtlenek azotu N ₂ O jako składnik pośredni wpływający na całkowitą emisję NO.

W mechanizmie tym tlenek azotu powstaje w wyniku rozpadu N ₂ O.

(4.13)

(4.14)

Podtlenek azotu biorący udział w reakcji (4.14) powstaje w sposób analogiczny do reakcji (4.3) w mechanizmie termicznym. Skutkuje to produkcją NO w sposób zbliżony do modelu termicznego, jak jednak zaproponował R. Wilk [27], jest on przesunięty w zakres niższych temperatur, nawet poniżej 1500 K.

4.4. Podsumowanie

Jak przedstawiono w tym rozdziale, spalanie metanu jest procesem bardzo złożonym, w którym pośrednio występuje cała gama związków chemicznych. Należy jednak podkreślić, że zdecydowana większość reaguje bardzo szybko, co ostatecznie przekłada się na emisję niewielkiej liczby związków, z których toksyczne są tlenek węgla CO oraz tlenki azotu NO.

W niektórych technologiach mogą pojawiać się inne toksyczne związki typu C X H Y

(określane także jako THC - Total Hydrocarbons) jako efekt niecałkowitego i niezupełnego spalania. Dotyczy to głównie spalania w systemach zamkniętych (z ang. internal combustion system), takich jak tłokowe silniki spalinowe [32, 33, 34]. Ponieważ prezentowana praca nie dotyczy takich systemów metody powstawania C X H Y nie został omówiony.

Z racji stosunkowo prostego mechanizmu redukcji CO do CO ₂ , prace mające na celu

ograniczenie emisji skupiają się w znacznym stopniu na ograniczaniu emisji tlenków azotu,

ogólnie nazywanych NO X .

33

5. Spalanie w przepływie z silnym zawirowaniem

5.1. Wprowadzenie

W celu zapewnienia bezpieczeństwa pracy systemów spalania, stosowane palniki muszą się charakteryzować stabilną pracą w szerokim zakresie regulacji mocy. O stabilności płomienia decydują dwa zjawiska: odporność na zerwanie płomienia oraz odporność na cofanie płomienia. W przypadku omawianej w pracy komory spalania zjawiskiem odpowiedzialnym za niestabilność płomienia jest zerwanie płomienia. Następuje ono, gdy prędkość przepływu jest większa od prędkości propagacji płomienia przy jednoczesnym braku stabilizacji. Stabilizację można uzyskać poprzez wstawienie w strumień powietrza ciała nieopływowego (dla palników małej mocy) lub poprzez wytworzenie zawirowania strugi powietrza. Zawirowanie powietrza można uzyskać na dwa sposoby: poprzez odpowiednie ustawienie dysz powietrza lub poprzez wstawienie w strugę powietrza zawirowywacza.

5.2. Przepływ z silnym zawirowaniem

Do opisu siły zawirowania wprowadza się liczbę kryterialną oznaczaną jako S.

Opisana jest ona równaniami, które uwzględniają właściwości płynu oraz geometrię zawirowywacza. Definicję liczby kryterialnej można przedstawić w postaci:

(5.1)

W zależności (5.1) G φ określa nam strumień krętu strugi a G x strumień pędu strugi. Poprzez r wyrażony jest promień zewnętrzny zawirowywacza. Rozwijając równanie (5.1), kręt strugi można zapisać w postaci:

(5.2)

a pęd strugi w postaci:

34

(5.3)

W powyższych zależnościach wielkości τ _wu i τ _uu oznaczają naprężenia styczne wynikające z gradientów prędkości. Pełne określenie wielkości przedstawionych w (5.2) i (5.3) wymaga określenia składowych wektora prędkości oraz określenia ciśnienia statycznego P w komorze spalania.

Jeżeli założymy całkowicie potencjalny przepływ wirowy, to wektor prędkości całkowitej można opisać zależnością:

(5.4)

To z kolei prowadzi do rozkładu ciśnienia opisanego w postaci:

(5.5)

W przepływie rzeczywistym rozkład ciśnienia jest aproksymacją idealnego przepływu potencjalnego (nieuwzględniającego lepkości płynu) i płynu całkowicie lepkiego (ciało stałe), dla którego wektor prędkości W opisano zależnością:

(5.6)

Rozkład prędkości przedstawiony w (5.6) prowadzi do zależności opisującej pole ciśnienia:

(5.7)

Dla zawirowywacza z łopatkami wykonanymi w postaci powierzchni śrubowej oraz

przyjmując izotermiczny przepływ gazu nielepkiego, liczbę wirową w uproszczeniu można

zapisać w postaci [35]:

35

(5.8)

W równaniu (5.8) wielkości d h i d 0 odpowiadają wewnętrznej i zewnętrznej średnicy zawirowywacza, a θ jest kątem pochylenia jego łopatek, co przedstawiono na rysunku 5.1.

W tym przypadku liczba wirowa S zależy tylko od geometrii kanału przepływu a nie od właściwości płynu.

Rysunek 5.1. Schemat zawirowywacza z zaznaczonymi wymiarami charakterystycznymi koniecznymi do obliczenia liczby wirowej

Obliczona na podstawie równania (5.1) liczba wirowa określa nam stopień zawirowania. Powszechnie przyjmuje się, że przepływ z silnym zawirowaniem, tworzącym wewnętrzną strefę recyrkulacji występuje dla liczby wirowej większej od 0,6 [7, 19, 20].

Schematycznie przepływ taki przedstawiono na rysunku 5.2, gdzie zostały pokazane dwie

strefy recyrkulacji: wewnętrzna i zewnętrzna.

36

Rysunek 5.2. Schemat ideowy przepływu ze spalaniem w silnym zawirowaniu. Widoczne strefy recyrkulacji wewnętrzna (CRZ – central recirculation zone) i zewnętrzna (ERC – external recirculation zone) [36]

Wewnętrzna i zewnętrzna strefa recyrkulacji determinują stabilność płomienia w palniku. Wewnętrzna strefa odpowiada za podgrzanie substratów w rejonie wtrysku paliwa i tym samym inicjuje zapłon świeżej mieszanki. Natomiast strefa zewnętrzna powoduje powstanie siły aerodynamicznej działającej na płomień w kierunku promieniowym i zapobiega nadmiernemu rozszerzaniu się płomienia.

5.3. Palniki wirowe

W technice palniki wirowe stosuje się w urządzeniach, gdzie wymagane jest uzyskanie dużej mocy w stosunkowo niewielkiej objętości. Przykładem takich urządzeń są turbiny gazowe.

Jednym z palników stosowanych w turbinach gazowych są palniki typu EV (EnViromental), przedstawione na rysunku

Palnik wirowy Płomień

CRZ

ERZ

37

a) b)

Rysunek 5.3. Palnik gazowy typu EV: a) fotografia palnika EV [37], b) schemat ideowy działania palnika EV [38]

Jak pokazano to na rysunku 5.3 b), palnik EV może pracować na dwóch rodzajach paliwa, gazowym i płynnym. Silne zawirowanie generowanie w tego rodzaju palniku zapewnia jednorodność mieszaniny paliwowo-powietrznej, zarówno dla paliwa gazowego jak i płynnego, a także gwarantuje niską emisję związków toksycznych. Jednakże z badań przeprowadzonych w Laboratorium Technologii Gazowych na Politechnice Poznańskiej [39]

wynika, iż dla procesów spalania paliw gazowych w powietrzu o temperaturze T = 300 K

i wartości współczynnika nadmiaru powietrza większego niż λ=1,68 płomień staje się

niestabilny, co może powodować jego zerwanie (rysunek 5.4). Poprawę stabilności płomienia

dla większych wartości λ jest możliwe np. poprzez podgrzanie substratów, tak jak ma to

miejsce w turbinach gazowych.

38

λ=1,68 λ=1,36 λ=1,1

Rysunek 5.4. Fotografie płomienia generowanego w palniku EV w zależności od współczynnika nadmiaru powietrza. Dla λ=1,68 widoczne wyraźne odsunięcie od czoła palnika, co prowadzi do zerwania płomienia [39]

Spalanie z niską wartością λ powoduje znaczny wzrost temperatury produktów spalania, często powyżej temperatury TIT (Turbine Inlet Temperature), zwłaszcza, że w rzeczywistych obiektach spalanie odbywa się przy nadciśnieniu rzędu 17 bar. Chomiak [40]

podaje przykład turbiny GE CJ 610-8A, dla której TIT wynosi 1400 K, natomiast Saravanamuttoo, Rogers i Cohen [41] podają zakres od 1100 K do 1850 K.

Innym rozwiązaniem jest palników wirowych są palniki typu LEV. W tego typu palnikach zawirowanie wywoływane jest przez zawirowywacz. Paliwo dostarczane jest przez dyszę umieszczoną w osi palnika, a powietrze rozdzielone zostaje na dwa strumienie.

Pierwszy strumień dostarczany jest przez mały wewnętrzny zawirowywacz, gdzie miesza się

z paliwem tworząc bogatą mieszankę. Drugi strumień powietrza dostarczany jest przez

zawirowywacz zewnętrzny. Powoduje to ochłodzenie gazów popłomiennych do

dopuszczalnej temperatury pracy turbiny. Schemat takiego palnika został przedstawiony na

rysunku 5.5.

39

a) b)

Rysunek 5.5. Palnik gazowy typu LEV: a) model geometryczny palnika LEV [38], b) schemat ideowy działania palnika LEV [38]

Palniki typu LEV charakteryzują się znacznie większą stabilnością płomienia w stosunku do palników EV. Jednakże spalanie bogatej mieszanki oraz długi czas przebywania związków w strefie wysokich temperatur przyczynia się do zwiększonej emisji związków toksycznych, głównie tlenków azotu.

W niniejszej pracy badania oraz obliczenia zostały wykonane dla palnika, w którym

zawirowanie generowane było przez główny zawirowywacz, a w strumień zawirowanego

powietrza wtryskiwane było paliwo.

40

6. Aparatura i sprzęt badawczy

6.1. Wprowadzenie

Badania procesu spalania prowadzone były w dwóch etapach. Pierwszym z etapów było przygotowania modeli geometrycznych oraz wykonanie obliczeń numerycznych podstawowych parametrów opisujących proces spalania. W tym celu wykorzystano programy komercyjne, programy typu OpenSource oraz programy komercyjne licencjonowane dla studentów uczelni, z których można korzystać bezpłatnie. Szczegółowo zostało to przedstawione w rozdziale 7.

Drugim etapem było wykonanie badań eksperymentalnych. W tym celu wykorzystano modelową komorę spalania turbiny gazowej. W celu umożliwienia wykonania pomiarów, komorę wyposażono w szereg otworów i okien pomiarowych, umożliwiających pomiary rozkładu związków chemicznych i temperatury wewnątrz płomienia, a także ocenę wizualną płomienia. Szczegółowo metodyka prowadzenia badań eksperymentalnych została opisana w podrozdziale 6.3.

6.2. Sprzęt do obliczeń numerycznych

Wszystkie obliczenia numeryczne wykonane na potrzeby tej pracy (adiabatyczna temperatura spalania, laminarna prędkość spalania, obliczenia cieplno-przepływowe 3D) wykonane zostały na komputerze klasy PC, którego główne podzespoły przedstawiono w tabeli 6.1.

Tabela 6.1 Zestawienie głównych podzespołów komputera

Klasa komputera PC

Procesor Intel® Core i7

Ilość rdzeni/wątków procesora 4/8

Częstotliwość taktowania rdzenia 3,8 GHz

Ilość pamięci operacyjnej RAM 32 GB

System operacyjny Microsoft® Windows® 7 Professional 64-bit

Programy użyte w trakcie prowadzenie obliczeń zostały opisane w rozdziale 7,

w którym przedstawiono cały proces przygotowywania i prowadzenia obliczeń.

41

6.3. Badania eksperymentalne

Badania eksperymentalne wykonane zostały na modelowej komorze spalania turbiny gazowej. Komora została przystosowana do warunków laboratoryjnych, co wiązało się z przeskalowaniem parametrów gabarytowych. Zmianie uległa moc oraz strumienie powietrza doprowadzanego, jednakże zachowano główne parametry wpływające na proces spalania, takie jak: rozkład powietrza, prędkości wlotowe gazu oraz powietrza czy liczba wirowa.

Badania wykonane przez autora obejmowały analizę procesu spalania poprzez analizę wyników pomiarów związków toksycznych oraz temperatury bezpośrednio w płomieniu.

Badania wykonane przy użyciu sondy Suction Pyrometer są uzupełnieniem badań pierwotnych, w których nie uwzględniono możliwości spalania paliw niskokalorycznych.

W tym celu zmianie uległa ścieżka doprowadzająca paliwo, w której zamontowano element umożliwiający doprowadzenie gazów inetrnych (azot) do metanu. Konstrukcja palnika nie uległa zmianie, gdyż jednym z celów niniejszej pracy było sprawdzenie możliwości pracy palnika turbinowego dla różnego rodzaju paliw gazowych.

6.3.1. Komora spalania

Model geometryczny przedstawiony został na rysunku 6.1.

a) b)

Rysunek 6.1. Modelowa komora spalania: a) front, b) tył; 1 – układ dostarczania paliwa, 2 –

otwory pomiarowe systemu Suction Pyrometer, 3 – okna pomiarowe do pomiarów

prędkości, 4 – kanały doprowadzające powietrze, 5 – kanał wylotowy, 6 – złącze

palnika pilotującego, 7 – okna do kontroli płomienia

42

Komora zbudowana została z trzech walców, co zostało przedstawione schematycznie na rysunku 6.3. Zewnętrzny płaszcz stanowi granicę pomiędzy komorą a otoczeniem, zadaniem środkowego płaszcza jest rozdzielenie powietrza na powietrze pierwotne i wtórne, a płaszcz wewnętrzny stanowi właściwą komorę spalania. Płaszcz wewnętrzny ma stopniowane średnice, poczynając od najmniejszej w rejonie dyszy paliwa i zawirowywacza, do największej w obszarze dysz powietrza wtórnego i ponownie zwęża się w kierunku kanału spalinowego.

W celu umożliwienia wykonywania pomiarów rozkładu temperatury i związków chemicznych, komora wyposażona została w szereg otworów i okien pomiarowych. Zdjęcie komory przedstawione zostało na rysunku 6.2.

Rysunek 6.2. Zdjęcie modelowej komory spalania turbiny gazowej

6.3.2. Układ doprowadzenia powietrza

Powietrze do procesu spalania dostarczane było przez dwa wentylatory, dla których

wstępnie wyznaczona została charakterystyka strumienia objętości w funkcji nastawy

częstotliwości. Powietrze z wentylatorów przepływało przez wymiennik ciepła typu

powietrze-spaliny, gdzie następowało podgrzanie powietrza do temperatury ok. 300°C. Za

43

wymiennikiem znajdował się kolektor rozdzielający strumień powietrza na lewą oraz prawą stronę komory.

Schematyczny rozkład powietrza wewnątrz komory spalania przedstawiono na rysunku 6.3. Powietrze dostarczane jest dwoma wlotami u dołu komory (niebieskie strzałki).

Następnie następuje podział powietrza na powietrze pierwotne (czerwone strzałki u dołu komory) i powietrze wtórne (zielone strzałki). Ze strumienia powietrza pierwotnego, część powietrza dostaje się do wnętrza komory przez otworki (rysunek 6.4) na trzech różnych poziomach. Jego zadaniem jest chłodzenie wewnętrznych ściany komory spalania (żółte strzałki). Powietrze pierwotne dostarczane jest od góry komory, przez zawirowywacz (rysunek 6.5, czerwone strzałki u góry komory). W strumień zawirowanego powietrza pierwotnego wtryskiwane jest paliwo. Szczegółowy rozkład powietrza do poszczególnych stref przedstawiono w rozdziale 7.3 opisującym wyniki obliczeń numerycznych.

Rysunek 6.3. Dystrybucja powietrza w eksperymentalnej komorze spalania turbiny