Combustion characteristics of ammonia as a promising alternative fuel
Amonyak'ın alternatif bir yakıt olarak yanma karakteristikleri
- Tez No: 473048
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 137
Özet
Yüksek hidrojen yoğunluğu ve dünyada hâlihazırda mevcut bulunan üretim/dağıtım altyapısı amonyağı (NH3) elektrik üretimi veya taşımacılık uygulamalarında kullanılabilecek, karbon içermeyen temiz yakıtlar arasında ön plana çıkarmaktadır. Amonyağın yakıt olarak geniş çaplı olarak kullanılmaya başlanabilmesi için iki teknik hususun çözülmesi gerekmektedir: yavaş yanma hızı dolayısıyla ortaya çıkabilecek yanma karasızlıklarının bertaraf edilmesi ve yanma sırasında oluşabilecek, molekül içeresindeki serbest nitrojenden kaynaklanan, NOx salınımının minimize edilmesi. Bu çalışmanın esas hedefi amonyağın temiz ve verimli bir şekilde yakılabilmesi için gerekli teknolojilerin geliştirilmesidir. Bu amaca ulaşmak için hem kimyasal kinetik hesaplamalar, hem de deneysel çalışmalar beraberce yürütülmüştür. Bu çalışmada öncelikle NH3/H2/hava sisteminin gaz türbinleri gibi pratik sistemlerde görülen yüksek basınçlarda ve yüksek hava/yakıt karışım oranlarındaki yanma dinamiğini incelenmiştir. Laminer ön karışımlı alev modeli yanma karakteristiklerinin belirlenmesi için kullanılmıştır. NOx oluşum hassasiyet hesaplamaları NOx seviyesini pratik sistemlerde istenen değerlere düşürmek için lokal olarak yakıt ağırlıklı yanma tekniğinin kullanılabileceğini göstermiştir. Kimyasal kinetik konusunda yapılan araştırmaların en önemli hedefi yanma odası tasarımını destekleyecek sayısal hesaplamaların yapılmasını kolaylaştırabilecek indirgenmiş yanma mekanizmalarının geliştirilmesidir. Bu bağlamda çok geniş basınç sıcaklık ve hava yakıt oranlarında, yüksek doğrulukla çalışan, Konnov mekanizmasından türetilmiş iki indirgenmiş yanma mekanizması geliştirilmiştir. İndirgenmiş mekanizmalar NOx seviyelerini ve yanma hızını geniş bir operasyonel parametre aralığında oldukça doğru olarak hesaplayabilmektedir. Çıkan sonuçların değerlendirilmesi sonucunda indirgenmiş mekanizmaların deneysel ölçümler ve Konnov mekanizması ile yapılan hesaplamalar ile neredeyse ayni sonuçları verdiği görülüşmüş olup, indirgenmiş mekanizma ile yapılan hesapların Konnov mekanizmasına göre 1/5'lik bir CPU zamanında tamamlanabildiği tespit edilmiştir. Deneysel araştırmalar NH3/H2/hava sistemi için atmosferik basınç ve sıcaklıkta yapılmış olup, yanma kararlılığını sağlamak için SiC bazlı geçirgen bloklar kullanılmıştır. Laboratuvar ortamında yapılan yanma deneylerinde geniş bir amonyak konsantrasyon ve hava yakıt oranı yelpazesi için kararlı alevler ve yüksek yanma verimleri elde edilmiştir. Yanma odası çapı, hava yakıt oranı, amonyak oranı gibi önemli parametrelerin yanma kararlılığına etkileri araştırılmıştır. Testler oldukça yüksek termal güç yoğunluğu değerlerinde yapılmıştır. NOx değeri ölçümleri yakıt ağırlıklı hava yakıt oranlarında 35 ppm kadar düşük sevilerde salınım elde edilebileceğini göstermiştir. Test edilen konfigürasyonunun yüksek verimli, kararlı ve temiz bir yanma sağladığı tespit edilmiş olup ve bu tür sistemlerin amonyak bazlı endüstriyel yanma sistemlerine uygulanabilirliği için umut verici olduğu değerlendirilmektedir.
Özet (Çeviri)
With its high hydrogen density and already existing infrastructure, ammonia (NH3) is believed to be an excellent alternative fuel that can be used in energy generation and transportation systems. Combustion of ammonia has two main challenges that need to be addressed before its widespread use in practical systems: low flame speed (or weak flame stability) and its potential of generating fuel bond NOx. The primary goal of the present research is to find a method to combust ammonia in an efficient and environmentally benign way. For this aim, the research is conducted in two parallel frameworks; chemical kinetics study and experimental investigation. First we have investigated the combustion characteristics of NH3/H2/air mixtures at elevated pressure and lean conditions which are encountered in practical systems such as gas turbine combustors. Laminar premixed freely propagating flame model is used to calculate the combustion properties. The results of sensitivity study of total NOx formation with respect to the equivalence ratio indicates the possibility of localized rich combustion as an effective way to reduce the NOx concentration down to levels that are the same order as the modern gas turbine engines. One of the main objectives of the chemical kinetics study is to develop a reduced reaction mechanism for the combustion of ammonia which can be used to expedite the design of effective ammonia combustors through numerical simulations of realistic combustor geometries with accurate kinetics models. Accordingly by considering a wide range of conditions in terms of pressure, fuel mixture, and equivalence ratio we have developed two reduced mechanisms based on the well known Konnov mechanism. The reduced mechanisms are capable of predicting the total NOx emission level and the laminar flame speed at an acceptable accuracy over a wide range of conditions. Evaluating the performance of the reduced mechanisms with respect to the full mechanism and experimental data shows that the mechanisms are able to predict the combustion properties almost at the same accuracy level as the Konnov mechanism, but at a nearly five times less CPU time expense. The experimental study focuses on premixed ammonia-hydrogen-air flames under standard temperature and pressure conditions using an inert silicon-carbide (SiC) porous block as a practical and effective medium for flame stabilization. Combustion experiments conducted using a lab scale burner resulted in stable flames with high combustion efficiencies at very high ammonia concentration levels over a wide range of equivalence ratios. Effects of some major influential parameters including equivalence ratio, ammonia mixture fraction, and diameter of the burner on flame stability have been investigated. Noticeable power output densities have also been achieved in the experiments. Results of NOx emission measurements indicate NOx concentrations as low as 35 ppm under rich conditions. The remarkable capability of this specific burner to operate efficiently and cleanly at high ammonia concentration levels, which can easily be achieved by partial cracking of NH3, is believed to be a key accomplishment in the development of ammonia fired power generation systems.
Benzer Tezler
- Dizel motorlarda amonyak ve biyodizelin üçlü yakıt olarak kullanılmasının performans ve emisyonlar üzerindeki etkilerinin deneysel ve sayısal analizi
Experimental and numerical analysis of the effects of using ammonia and biodiesel as triple fuel on performance and emissions in diesel engines
FATİH OKUMUŞ
Doktora
Türkçe
2024
DenizcilikYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖRKEM KÖKKÜLÜNK
- Denizciliğin karbonsuzlaştırılması yol haritası: alternatif yakıtların karşılaştırılması ve sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmak için kılavuz bilgiler
Decarbonisation of shipping roadmap: Comparison of alternative fuels and guidelines for achieving sustainability targets
FURKAN ÇITAKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Deniz BilimleriYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURSUN ALKAN
- Plasmonic nanoparticle modified substrate for SERS sensing applications
SERS algılama uygulamaları için plazmonik nanoparçacık modifiyeli substrat
GİZEM HASİBE KANAT
- Kalsiyum hidroksitin hidratasyon yoluyla aktivasyonu
Activation of calcium hydroxide by hydration
NİLÜFER ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞEGÜL ERSOY (MERİÇBOYU)
- Inconel 713 LC süper alaşımının akışkan yataklı fırın sistemi ile nitrürlenmesi
Nitriding of inconel 713 LC superalloy with fluidized bed
MİNE YÜCEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
