Metan ve metan-hidrojen karışımı yakıtların kullanıldığı gaz türbinlerinde yanmanın ve azot oksit oluşumunun modellenmesi

Abstract

Gaz türbini uygulamalarında, hidrojen-hidrokarbon karışım yakıtı kullanımının araştırılması son zamanlarda büyük bir ilgi alanı oluşturmaktadır. Bu ilgiyi artıran nedenler, geniş aralıkta ısıl değere sahip alternatif yakıtların kullanılması ihtiyacı, NO, CO ve CO2 emisyonlarının azaltılması potansiyeli ve fakir yanma şartlarında alev stabilite özelliklerinin artması şeklinde sıralanabilir. Hidrojenin üretim maliyeti azaldıkça ve küresel ısınmayla ilgili çevresel endişeler arttıkça, bu konuda yapılan çalışmalar daha da önemli hale gelmektedir. Karışım yakıt kullanımı, karbonsuz yakıt kullanımına geçişte ara geçiş stratejisi olarak değerlendirilmeli ve bu yakıtların ilgili yanma sistemlerinde kullanımı araştırılmalıdır. Bu nedenle bu çalışmada, küçük ölçekte silindirik yanma odalı bir gaz türbininde, metan ve metan-hidrojen karışımı yakıtların yanma işlemi, deneysel olarak incelenmiş ve gaz türbini yanma odası için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği esaslı modelleme tekniği kullanılarak yanma işlemi modellenmiştir. Çalışmada saf yakıt olarak CH4, karışım yakıtı olarak CH4-H2 karışımları (hacimsel olarak % 10, % 20,% 30 hidrojen içeren) kullanılmıştır. Gaz türbini yüksüz şartlarda çalıştırılarak, yanma odasında alev teşekkül edilmiş ve farklı türbin giriş sıcaklığı (773 K, 873 K ve 973 K) şartlarında çalışma gerçekleştirilmiştir.Bu çalışmada, önce 10 kW ısıl güce sahip bir yakıcıda saf metanın yanma işlemi modellenmiş, 0.6 ile 1 arasında değişen yakıt fazlalık katsayılarında meydana gelen sıcaklık dağılımları ve NO emisyonu değerleri incelenmiştir. Sonra, ele alınan gaz türbininde, saf yakıt olarak CH4, karışım yakıtı olarak CH4?H2 karışımları, deneysel şartlarda yakılmıştır.Deneysel çalışmada, emisyon değerleri prob esaslı ölçüm yöntemi kullanılarak ölçülmüştür.Daha sonra, deneysel şartlar göz önünde bulundurulup, bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği programı kullanılarak, gaz türbini yanma odasının 3 boyutlu sayısal modeli oluşturulmuştur.Hesaplama kolaylığı açısından alev tüpünün 60o'lik bölümü modellenmiştir. Yanma modeli,metan için iki basamaklı, hidrojen için bir basamaklı yanma reaksiyonu ve Eddy Dissipation Model kullanılarak oluşturulmuştur. Model sabiti (A) farklı değerlerlerde ayarlanarak, yanma akışına etkisi belirlenmiştir. Türbülans modeli olarak, Standart Modelle RNG k-? Modeli kullanılmış ve birbiriyle mukayese edilmiştir. Sayısal çözümde, basınç ve hız arasındaki bağıntıyı çözmek için SIMPLE metodu, basınç ve hız dağılımlarının hesaplanmasında ise şaşırtmalı hesap noktaları PRESTO (Pressure Staggered Option) metodu kullanılmıştır. Ağ yoğunluğunu sayısal sonuçlara etkisinin incelenmesi amacıyla, üç farklı hücre yapısı testedilmiş ve çalışmada 51811 hücre kullanılmıştır.Çalışmada NO emisyonu modellemesi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği programında bulunan son işlemci kullanılarak gerçekleştirilmiştir. NO modellemesinde ısıl NO ve hızlı NO mekanizmaları dikkate alınmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlara göre gaz türbininde, her bir yakıt için yanma odası giriş sıcaklığı arttıkça, NO emisyonu miktarı artmaktadır. Yakıt karışımı içerisindeki hidrojen oranı arttıkça, CO ve CO2 emisyonu azalmış, H2O miktarı ise artmıştır. Gaz türbini alev tüpü yüzey sıcaklığı yakıt karışımındaki hidrojen miktarından çok fazla etkilenmemiş ve alev tüpü malzemesinin dayanabildiği sıcaklık sınırlarının altında kalmıştır. Sayısal simülasyonla tespit edilen türbin giriş sıcaklığı değerleri, deneysel şartlarda ölçülen değerlere uyan sonuçlar vermiştir. Genel olarak, gerek sıcaklık değerleri gerekse NO emisyonu değerleri incelendiğinde, deneysel şartlar göz önünde bulundurularak gerçekleştirilen simülasyon sonuçlarıyla deneysel çalışma sonuçları arasında, kabul edilebilir seviyelerde uyum olduğu görülmüştür.