30333

مدل‌سازي تشكيل سنوسفر در احتراق قطره سوخت نفتي سنگين

دكتري

مهندسي مكانيك

1396

1402/08/30

حجت قاسمي

مهندسي مكانيك

سوخت نفتي سنگين در واقع بخش باقيمانده از تقطير نفت خام پس از جدا شدن هيدروكربن‌هاي سبك‌تر است. مشكل اصلي احتراق سوخت نفتي سنگين، توليد ذرات آلاينده‌اي مختلفي مانند دود و خاكستر باقيمانده، سنوسفر، اسيد سولفوريك مي‌باشد. با اين وجود به دليل ارزش حرارتي بالا و قيمت مقرون به صرفه از اهميت بسياري برخوردار است. از احتراق سوخت نفتي سنگين دو نوع ذره معلق ايجاد مي‌شود، دوده و ذرات كك كربني (سنوسفر). سنوسفر به ذرات جامد باقيمانده از پيروليز فاز مايع كه به شكل يك پوسته كروي توخالي است، گفته مي‌شود. از اين رو، با توجه به اهميت موضوع رساله‌اي با عنوان "مدل‌سازي تشكيل سنوسفر در احتراق سوخت نفتي سنگين" تعريف شده است. اين رساله در چهار مرحله به تحقيق و توسعه موضوع پرداخته است. در گام اول يك مطالعه آزمايشگاهي بر گرمايش قطره سوخت نفتي سنگين از دماي پايين 400℃ تا دماي اشتعال 800℃انجام شد. اين مطالعه منجر به رفتارشناسي دما و اندازه قطر قطره سوخت و شناخت ماهيت انواع ذرات جامد و چگونگي تشكيل آن شد. مشاهده شد، در مجموع چهار نوع ذره جامد از سوخت نفتي سنگين باقي مي‌ماند. در گام دوم، يك مدل تئوري تشكيل سنوسفر (ذره نوع چهارم) با فرض قطره تك جزئي و در يك فاز توسعه يافت. در اين مدل با حل معادله انرژي در فاز مايع، معادله تبخير اسپالدينگ و معادلات مدل سينتيك بهينه شده يك پيش‌بيني مناسبي از تغييرات قطر قطره، قطر، ضخامت و جرم سنوسفر بدست آمد. در اين مدل اثر تغييرات دماي محيط، قطر اوليه قطره و افزودن سوخت سبك حاصل شد. اين مدل‌سازي نشان داد، براي توسعه مدل و افزايش دقت، نياز به يك مدل سينتيك واكنش شيميايي دقيق و مختص سوخت است. از اين رو، در گام سوم تحقيق، مدل‌سازي سينتيك واكنش بر پايه نتايج آزمون گرماسنج وزني (TGA) ارائه شد. اين مطالعه منجر به رفتارشناسي جرمي سوخت حين گرمايش و ارائه دو نوع مدل توده‌اي و چند شبه‌جزئي منطبق با نتايج تجربي شد. در گام چهارم و نهايي يك مدل‌سازي از تشكيل ذرات جامد از پيروليز سوخت نفتي سنگين در دماهاي مختلف ارائه شده است. اين مدل بر پايه سه مدل تئوري، مدل تبخير دو فازي چند شبه-جزئي، مدل سينتيك واكنش چند شبه-جزئي (توسعه‌يافته از گام سوم) و مدل شكل‌گيري پوسته متناسب با دما (ارائه شده در اين مرحله) توسعه داده شد. در اين مدل اثر تغييرات دما و قطر اوليه قطره بر ذرات تشكيل شده و پيروليز سوخت بررسي شد.

1402/09/12

Cenosphere Formation Modeling of Heavy Fuel oil droplet Combustion

11/20/2024 12:00:00 AM

The Heavy fuel Oil (HFO) is actually the remaining part of crude oil distillation after the separation of lighter hydrocarbons. The main problem with the combustion of heavy fuel oil is the production of various pollutants such as smoke, residue, ash, soot, and sulfuric acid. However, due to its high calorific value and cost-effectiveness, it holds significant importance. The combustion of HFO produces two types of suspended particles: soot and carbonaceous coke particles (cenosphere). The cenosphere refers to solid particles remaining from the liquid phase pyrolysis, which have a hollow spherical shell shape. Therefore, considering the importance of the topic, a thesis titled " Cenosphere Formation Modeling of Heavy Fuel oil droplet Combustion" has been defined. This thesis has addressed the research and development of the subject in four stages. In the first step, a laboratory study was conducted on the heating of heavy fuel oil droplets from a low temperature of 400℃ to the ignition temperature of 800℃. This study led to the temperature behavior and droplet diameter, as well as the identification of various types of solid particles and their formation. It was observed that a total of four types of solid particles remain from heavy fuel oil. In the second step, a theoretical model of residue ash formation (the fourth type of particle) was developed assuming a single droplet and in a phase of development. In this model, by solving the energy equation in the liquid phase, the Spalding evaporation equation, and the optimized kinetic model equations, a suitable prediction of the changes in droplet diameter, diameter, thickness, and mass of residue ash was obtained. In this model, the effects of changes in ambient temperature, initial droplet diameter, and addition of light fuel were considered. This modeling showed that for further model development and accuracy improvement, a precise and fuel-specific kinetic reaction model is needed. Therefore, in the third research step, a kinetic reaction modeling based on the results of Thermogravimetric Analysis (TGA) tests was presented. This study led to the mass behavior of fuel during heating and the presentation of two types of bulk and pseudo-particle models consistent with experimental results. In the fourth and final step, a modeling of solid particle formation from the pyrolysis of heavy fuel oil at different temperatures was presented. This model was developed based on three theoretical models: a two-phase pseudo-particle evaporation model, a pseudo-particle kinetic reaction model (developed from the third step), and a temperature-dependent shell formation model (presented in this stage). In this model, the effects of temperature variations and initial droplet diameter on the formed particles and fuel pyrolysis were investigated.

سوخت نفتي سنگين , ذرات جامد , سنوسفر , مدل سازي , مطالعه تجربي , مدل سازي سينتيك واكنش

Heavy Fuel Oil , Solid Particles , Cenosphere , Modeling , Experimental , Kinetic Reaction Modeling

Mohammad Javad Ziabakhsh Ganji

Hojat Ghassemi