The combustion characteristics of 0.03MW turbulent methane/oxygen diffusion flames have been investigated to give basic informations for designing industrial oxyfuel combustors. NOx reduction has become one of the most determining factors in the combustor design since 3-5% nitrogen is intrinsically included from the current oxygen producing processes. Flame lengths and NOx concentrations were measured by varying flow velocities with and without installing quarls. Flame stabilities are significantly enhanced by oxyfuel combustion in contrast to air-fuel combustion. Flame length decreases with increasing fuel or oxygen velocity because of the enhancement of turbulent mixing. NOx concentration was reduced with increasing flo velocities. This can be attributed to the entrainment of inert product gases into flame decreasing flame temperature. The installation of quarl on the burners rather increased NOx concentration since the quarl blocked the entrainment above the nozzles.
In the present study, the combustion characteristics of methane and hydrogen-supplemented methane as alternative fuels for automotive vehicles were investigated at various hydrogen substitution rate, ignition position and ignition methods in a CVCC. The main results obtained from the study can be summarized as follow. In case of center ignition and neat methane-air mixture, the flame propagation processes are propagated with an elliptical shape, but they are changed an instable elliptical shape flame with very regular cells and higher velocity by increasing the hydrogen supplement rate. In case of side, 0.5R ignition and neat methane-air mixture, the flame propagation processes are propagated with an instable elliptical shape flame, but they are changed from an instable elliptical shape to wedge shape flame with very irregular cells and higher velocity by increasing the hydrogen supplement rate. Although the flame propagation shape with ignition position and ignition devices was not differ, the flame area of MSCDI device was a little larger than it of CDI device at the same time.
The Plate reformer consisting of combustion chamber and reforming chamber for 25 kW MCFC stack has been operated and computational fluid dynamics was applied to estimate reactions and thermal fluid behavior in the reformer. The methane air 2-stage reaction was assumed in the combustion chamber, and three step steam reforming reactions were included in the calculation. Flow uniformity, reaction rate and species distribution, and temperature distribution were analyzed. In particular, temperature distribution was compared with the measurements to show good agreement in the combustion chamber, however, inappropriate agreement in the reformer chamber
The prediction performance of the chemical kinetics for the numerical simulation of MILD combustion was investigated. A wall-confined turbulent methane jet combustor was adopted as a configuration. Four chemical kinetics, such as a global 3-step, WD4, Skeletal, and DRM-19, were investigated, The air stream of the wall-confined MILD jet combustor was diluted with combustion products. It was found that the DRM-19 was optimal for the numerical simulation of the MILD combustion.
High temperature air combustion technology has been utilized by using preheated air over 1100 K and excessive exhaust gas recirculation. Numerical analysis was performed to investigate the combustion characteristics with high temperature deficient oxygen air combustion by adopting a counterflow as a model problem accounting for detailed chemical kinetics. Methane($CH_4$) was used as a test fuel and calculated oxidizer conditions were low temperature high oxygen (300K, $X_{O2}=0.21$) and high temperature low oxygen (1300K, $X_{O2}=0.04$) conditions. The latter case showed that the flame temperature is lower than the former case and its profile showed monotonic decrease from oxidizer to fuel side, without having local maximum flame temperature at high stretch rate. Also, heat release rate was one order lower and it has one peak profile because of low oxygen concentration and heat release rate integral is almost same for stretch rate. High temperature low oxygen air combustion shows low NO emission characteristics.
The effects of EGR and premixedness on NO formation have been numerically investigated. The flame structure is classified into three categories; premixed flame($=1)$, rich/lean premixed flame(${\alpha}=0.6$ and 0.8) and diffusion flame(${\alpha}=0$). NO formation/destruction mechanisms are assorted to thermal, reburn and Fenimore mechanisms. The temperature of unburned gas is arranged to 298 and 500 K to have access to the condition in a real internal combustion engine. The results show that all three NO formation/destruction reaction rates in the fuel rich flame zone could be decreased by EGR for rich/lean premixed flames, while those in the fuel lean flame zone are not significantly changed. Near the stagnation plane, however, only the thermal NO reaction rate is decreased. The contribution of reburn and Fenimore mechanisms for the net NO production becomes less significant as the premixedness of a flame increases. The larger amount of NO reduction with EGR is expected under the higher temperature and/or higher fuel/air premixedness conditions due to the increased contribution of the thermal mechanism. The role of Fenimore and reburn mechanisms could be important for rich premixed and diffusion flames; therefore, the effect of EGR on NO reduction could vary with fuel/air premixedness. The premixedness of a partially premixed flame changes the flame structure and could affect the NO production characteristics.
The hybrid catalytic(catalytic+thermal) combustor of a lean methane-air mixture on platinum catalyst was investigated numerically using a 2-D boundary layer model with detailed homogeneous and heterogeneous chemistries. For the more accurate calculations, the actual surface site density of monolith coated with platinum was decided by the comparison with experimental data. It was found that the homogeneous reactions in the monolith had little effect on the change of temperature profile, methane conversion rate and light off location. However, the radicals such as OH and CO were produced rapidly at exit by homogeneous reactions. Thus the homogeneous reactions were important to predict the productions of CO and NOx exactly. In thermal combustor, the production of $N_2O$ was more dominant than that of NO due to the relative important of the reaction $N_2+O(+M){\to}N_2O(+M)$. Finally the production of CO and NOx by amount of methane addition were studied.
Experimental and numerical studies were conducted to investigate flame behaviors near flammable limits for downstream-interacting SNG-air premixed flames in a counter-flow configuration. The SNG fuel consisted of a methane, a propane, and a hydrogen with volumetric ratios of 91, 6, and 3%, respectively. The most appropriate priority for some reliable reaction mechanisms examined was given to the mechanism of UC San diego via comparison of lean extinction limits attained numerically with experimental ones. Flame stability map was presented with a functional dependencies of lower and upper methane concentrations in terms of global strain rate. The results show that, at the global strain rate of $30s^{-1}$, lean extinction boundary is slanted while rich extinction one is relatively less inclined because of the dependency of such extinction boundary shapes on deficient reactant Lewis number governed by methane mainly. Further increase of global strain rate forces both extinction boundaries to be more slanted and to be shrunk, resulting in an island of extinction boundary and subsequently one flame extinction limit. Extinction mechanisms for lean and rich, symmetric and asymmetric extinction boundary were identified and discussed via heat losses and chemical interaction.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.34
no.4
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pp.365-373
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2010
A chemical reactor model (CRM) was developed for a jet stirred reactor (JSR) to predict the emission of exhaust such as NOx. In this study, a two-PSR model was chosen as the chemical reactor model for the JSR. The predictions of NO formation in lean premixed methane-air combustion in the JSR were carried out by using CHEMKIN and GRI 3.0 methane-air combustion mechanism which include the four NO formation mechanisms. The calculated results were compared with Rutar's experimental data for the validation of the model. The effects of important parameters on NO formation and the contributions of the four NO pathways were investigated. In the flame region, the major pathway is the prompt mechanism, and in the post flame region, the major pathway is the Zelodovich mechanism. Under the lean premixed condition, the N2O mechanism is the important pathway in both flame and postflame regions.
Thermo-acoustic instability of methane/ air flames in an industrial gas-turbine combustor is numerically investigated adopting CFD analysis. The combustor has 37 EV burners through which methane and air are mixed and then injected into the chamber. First, steady fuel! air mixing and flow characteristics established by the burner are investigated by numerical analysis with single burner. And then, based on information on the flow data, the burners are modeled numerically via equivalent swirlers, which facilitates the numerical analysis with the whole combustion system including the chamber and numerous burners. Finally, reactive flow fields within the chamber are investigated numerically by unsteady analysis and thereby, spontaneous instability is simulated. Based on the numerical results, scaling analysis is conducted to find out the instability mechanism in the combustor and the passive control method to suppress the instability is proposed and verified numerically.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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