Vliv inertních plynů na charakteristické parametry spalování
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Dizertační práce se zabývá výzkumem vlivu inertních plynů obsažených v alternativních plynných palivech na parametry spalovacího procesu. Mezi tato paliva patří například generátorový plyn, koksárenský plyn anebo bioplyn. Jejich energetický potenciál zůstával dlouhou dobu nevyužit, protože se z části jednalo o odpadní plyny. V porovnání s ušlechtilým palivem jako je zemní plyn se tyto plyny vyznačují rozdílnými fyzikálně-chemickými vlastnostmi, zejména nižší výhřevností. Na základě podmínek, které panovaly při jejich vzniku, se jejich složení může v průběhu produkce měnit. Nižší výhřevnost je dána především přítomností inertních plynů, které se přímo nezúčastňují spalování, a teplo spíše odebírají. Za určitých podmínek je tento typ paliva možné spalovat na standardních typech hořáků, ale i tak jejich provoz nemusí být zdaleka bezproblémový. Pro dosažení požadovaného výkonu jako s ušlechtilými palivy je nutné hořákem protlačit mnohem větší množství nízko-výhřevného paliva, což geometrie hořáku nemusí umožnit. Po nezbytném teoretickém úvodu, kde je zhodnocena současná situace v oblasti výzkumu plynných nízko-výhřevných paliv a přidávání inertních plynů do ušlechtilého paliva se práce věnuje problematice tvorby emisí oxidu dusíku (NOx) a shrnuje technologické postupy aplikovatelné na procesních hořácích pro potlačení jejich tvorby. Dále jsou kategorizována paliva z různých alternativních zdrojů, včetně popisu jejich složení a jejich vlastností. V souvislosti s těmito palivy byla vytvořena simulace spalování v bilančním software a byl proveden výpočet fyzikálně-chemických vlastností. Součástí práce je návrh a konstrukce dvou zařízení. Jedním z nich je experimentální směšovací stanice pro přípravu nízko-výhřevných paliv umožňující připravit palivo ze 4 různých plynů. Druhým produktem je hořák na nízko-výhřevná paliva. Nedílnou součástí práce je popis přípravy a vyhodnocení experimentálního měření. V průběhu experimentu byly do zemního plynu postupně přimíchány oxid uhličitý a dusík. Tyto plyny dokázaly snížit výhřevnost paliva až na hodnotu 10,7 MJ/mN3. Postupně byl vyhodnocen vliv inertních plynů na emise NOx, stabilitu a charakteristické vlastnosti plamene, teplotu spalin, teploty v plamenu v horizontální rovině spalovací komory a v neposlední řadě také na tepelné toky do stěny spalovací komory a termickou účinnost. Všechny zmíněné parametry byly postupně vyhodnoceny na třech typech hořáků: hořák se stupňovitým přívodem paliva, hořák se stupňovitým přívodem spalovacího vzduchu a speciálně navržený hořák na nízko-výhřevná paliva. Obecný trend byl takový, že po přidání inertního plynu do paliva dochází ke snížení teplot v plamenu a v důsledku toho i ke snížení koncentrace emisí NOx ve spalinách. Největšího snížení NOx bylo dosaženo po přidání oxidu uhličitého, přidávání dusíku mělo efekt méně výrazný. Ve velké míře však také záleží na konstrukci hořáku. Ve většině případů došlo po přidání inertního plynu do paliva ke zkrácení plamene, s čímž korespondovaly také zjištěné hodnoty tepelných toků, kdy více tepla z horkých spalin bylo do stěn komory přeneseno blíže k hořáku.
The dissertation thesis is focused on the investigation of the influence of inert gases on characteristic parameters of the combustion process. Inert gases are usually standard components of alternative gaseous fuels such as the producer gas, coal gas or biogas. For a long period some of the fuels were considered as waste gases and their potential was not sufficiently utilised. Compared with noble fuels such as natural gas, alternative fuels have different physical-chemical properties. For example, their lower heating value (LHV) can be lower even than 10 MJ/mN3. The composition of the alternative gaseous fuels can be various during their production process. Lower LHV is a result of the occurrence of inert gases that does not take a part in the combustion reactions. Inert gases have the ability to accumulate the heat. Under certain conditions it is possible to combust alternative fuels on conventional burners, but due to their different properties, problems can occur during the combustion. E.g. to achieve the same heat output as with the noble fuel, it is necessary to burn bigger volume of the alternative fuel. However, the limiting factor could be the burner's head geometry. Theoretical introduction of the thesis summarizes research results in the field of low calorific gaseous fuels combustion and the addition of inert gases into the noble fuels. The thesis also describes the mechanisms of the NOx formation and summarizes techniques which can be used to reduce NOx formation. Furthermore, fuels from alternative sources are categorized and described, including their composition and characteristics. Their physical-chemical properties were obtained by means of the combustion simulation carried out in the simulation software. Two devices had to be designed and manufactured to fulfil goals of the dissertation thesis. The first is a gas mixing station capable of mixing 4 different components. The second device is a burner utilized for the combustion of low calorific fuels. The key section of this thesis is a chapter describing the experimental plan, the performance and the evaluation of the experiments. The goal of the experiments was to dilute the natural gas by two inert gases, namely carbon dioxide and nitrogen. The lowest LHV value achieved during the experiment was 10,7 MJ/mN3. The influence of the inert gases on the NOx emissions, the flame stability and characteristics, the flue gas temperature, the in-flame temperatures, the heat flux and the thermal efficiency was investigated and evaluated. Each parameter was measured and evaluated for three different burners: the burner with the staged gas, the burner with the staged air and the burner for low calorific fuels. Generally, after the addition of the inert gas into the noble fuel, the in-flame temperatures decreased. As a consequence, the NOx emissions decreased as well. The effects of carbon dioxide on the investigated combustion parameters were more substantial than the effects of nitrogen. Each measured parameter is strongly dependent on the burner geometry. The experiments revealed that in most cases the addition of the inert gas into the fuel influenced the flame length (flame shortened) and also more heat was transfered into the chamber's walls closer to the burner tile.
The dissertation thesis is focused on the investigation of the influence of inert gases on characteristic parameters of the combustion process. Inert gases are usually standard components of alternative gaseous fuels such as the producer gas, coal gas or biogas. For a long period some of the fuels were considered as waste gases and their potential was not sufficiently utilised. Compared with noble fuels such as natural gas, alternative fuels have different physical-chemical properties. For example, their lower heating value (LHV) can be lower even than 10 MJ/mN3. The composition of the alternative gaseous fuels can be various during their production process. Lower LHV is a result of the occurrence of inert gases that does not take a part in the combustion reactions. Inert gases have the ability to accumulate the heat. Under certain conditions it is possible to combust alternative fuels on conventional burners, but due to their different properties, problems can occur during the combustion. E.g. to achieve the same heat output as with the noble fuel, it is necessary to burn bigger volume of the alternative fuel. However, the limiting factor could be the burner's head geometry. Theoretical introduction of the thesis summarizes research results in the field of low calorific gaseous fuels combustion and the addition of inert gases into the noble fuels. The thesis also describes the mechanisms of the NOx formation and summarizes techniques which can be used to reduce NOx formation. Furthermore, fuels from alternative sources are categorized and described, including their composition and characteristics. Their physical-chemical properties were obtained by means of the combustion simulation carried out in the simulation software. Two devices had to be designed and manufactured to fulfil goals of the dissertation thesis. The first is a gas mixing station capable of mixing 4 different components. The second device is a burner utilized for the combustion of low calorific fuels. The key section of this thesis is a chapter describing the experimental plan, the performance and the evaluation of the experiments. The goal of the experiments was to dilute the natural gas by two inert gases, namely carbon dioxide and nitrogen. The lowest LHV value achieved during the experiment was 10,7 MJ/mN3. The influence of the inert gases on the NOx emissions, the flame stability and characteristics, the flue gas temperature, the in-flame temperatures, the heat flux and the thermal efficiency was investigated and evaluated. Each parameter was measured and evaluated for three different burners: the burner with the staged gas, the burner with the staged air and the burner for low calorific fuels. Generally, after the addition of the inert gas into the noble fuel, the in-flame temperatures decreased. As a consequence, the NOx emissions decreased as well. The effects of carbon dioxide on the investigated combustion parameters were more substantial than the effects of nitrogen. Each measured parameter is strongly dependent on the burner geometry. The experiments revealed that in most cases the addition of the inert gas into the fuel influenced the flame length (flame shortened) and also more heat was transfered into the chamber's walls closer to the burner tile.
Description
Citation
HUDÁK, I. Vliv inertních plynů na charakteristické parametry spalování [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2017.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. (předseda)
doc. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
Ing. Miloslav Odstrčil, CSc. (člen)
doc. Ing. Ladislav Bébar, CSc. (člen)
RNDr. Petr Žaloudík, CSc. (člen)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (člen)
Ing. Zdeněk Hajný, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2017-05-24
Defence
viz. spis
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení