محاسبه سیستم بهینه احتراق ناقص متان در محیط متخلخل جهت دست‎یابی به درصد هیدروژن بیشینه: بررسی تجربی و دینامیک سیالات محاسباتی

Abstract

روش‎های مختلفی برای تولید هیدروژن به‎عنوان سوخت آینده وجود دارد. روش‌های تولید هیدروژن از سوخت‎های هیدروکربونی از اقتصادی‎ترین این روش‎‌ها به‌شمار می‌روند. اگرچه اکثر این فرآیندها به‎صورت کاتالیستی انجام می‌شوند اما به‎صورت ذاتی دارای معایب متعددی از قبیل تخریب کاتالیست‎ها، سیستم پیچیده، پاسخ آهسته و هزینه بالا هستند. از روش‎های جایگزین که اخیرا مورد توجه قرار گرفته‌است می‎توان به استفاده از فرآیند اکسیداسیون جزئی هیدروکربن‎ها با استفاده از شعله سوپرآدیاباتیک در محیط متخلخل بی‎اثر در حالت غنی و فوق‌غنی سوخت اشاره نمود. در این مقاله ضمن ارائه نتایج تجربی حاصل از آزمایش، نتایج شبیه‌سازی عددی یک مشعل محیط متخلخل محتوی ذرات کروی آلومینا ارائه و با نتایج تجربی مقایسه شده‌است. با در نظرگرفتن یک محدوده ناپیوسته مناسب برای هر یک از پارامترهای ورودی، یک فضای حالت برای آزمون‎ها و محاسبات ایجاد شده و به‎ازای مجموعه حالت‌های موجود، نتایج به‎دست آمده‎اند. همچنین براساس مجموعه داده‎ها، شرایط تولید بیشینه کسر مولی هیدروژن و سایر محصولات و بیشینه نسبت تبدیل کلی متان و تبدیل آن به هیدروژن و منوکسید کربن به‎دست آمده‌اند. نتایج تجربی و عددی از تطابق خوبی در بخش عمده‌ای از فضای حالت برخوردار بوده‌اند. راندمان کلی انرژی مشعل در حالت بهینه نیز محاسبه شده‌است که نشان می‌دهد برای شرایط ورودی مناسب، بیشینه تولید هیدروژن می‌تواند با راندمان انرژی نسبتا مطلوب 75 % همراه گردد. در این مقاله نشان داده شده‌است که با وجود تاثیرهای اساسی تغییرات نسبت هم‌ارزی بر مشخصه‌های خروجی فرآیند که مد نظر اکثر محققین در این زمینه نیز قرار گرفته‌، پارامترهای ورودی دیگر مانند انرژی آزاد شده به‎ازای حجم مشعل، مجموعه ابعاد راکتور و قطر ذره که معرف میزان تخلخل و ضریب گذردهی محیط است نیز تاثیر چشم‎گیری دارند.