Combustion Study of Mixtures Resulting From a Gasification Process of Forest Biomass
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2011
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Resumo
Syngas is being recognized as a viable energy source worldwide, particularly for stationary power generation. In the current work, three typical syngas compositions have been considered as representative of the syngas resultant from forest biomass gasification, and the possibility of using it in internal combustion engines is studied. First, laminar burning velocities have been determined from schlieren flame images at normal temperature and pressure, over a range of equivalence ratios within the flammability limits. The study of the effects of flame stretch rate is performed through the determination of Karlovitz and Markstein numbers. Second, because of the gaps in the fundamental understand of syngas combustion characteristics, especially at elevated pressures that are relevant to practical combustors, constant volume spherical expanding flames were employed to measure the laminar burning velocity for pressures ranges up to 20 bar. This information on laminar burning velocity of syngas air flames is then applied in a multi-zone heat transfer simulation code of the wall-flame interaction in order to predict the quenching distance of typical syngas-air flames. Engine-like turbulent conditions were experimentally reproduced in a rapid compression machine (RCM) when working on two strokes mode simulating a single cycle of an internal combustion engine. Stationary power applications usually use natural gas as fuel, thus a methane-air mixture is also included in this work as a reference fuel for comparison with the typical syngas compositions under study. Single compression tests were also performed in the RCM operating with and without combustion in order to identify different parameters related with its operation, namely the heat transfer to the walls. A simulation code for the power cycle of syngas-fuelled engines has been developed. Model validation has been carried on over detailed experimental data available in literature for hydrogen and methane. An attempt to adapt the model to the RCM is made by changing several aspects of the model namely the in-cylinder volume function and burning rate model. Conclusion could e drawn that the adapted code is able to reproduce the in-cylinder pressure. The validated model is then applied to a syngas-fuelled engine in order determine its performance. Conclusion can be drawn that typical syngas compositions besides its lower heat values and burning velocities can be used on SI engines even at elevated rotation speeds.
O syngas é mundialmente reconhecido como uma fonte de energia viável em particular para aplicações estacionárias. Neste trabalho, três composições típicas de syngas foram consideradas representativas do gás proveniente da gaseificação de biomassa florestal e estudada a possibilidade da sua utilização em motores de combustão interna. Primeiro, a velocidade de chama laminar fora determinada a partir de fotografia de schlieren a pressão constante. Em adição, o estudo dos efeitos da perturbação da chama é realizado através da obtenção dos números de Karlovitz e Markstein. Em segundo lugar, e dado existir lacunas na compreensão das características fundamentais da combustão de gás de síntese, em especial a pressões elevadas relevantes para aplicações práticas da combustão, é determinada a velocidade de chama laminar a volume constante para pressões até 20 bar. Esta informação é aplicada num código de simulação multi-zona da interacção chamaparede de modo a determinar a distância de extinção de chama. A combustão turbulenta em condições semelhantes ao motor de combustão interna (MCI) é reproduzida em máquina de compressão rápida (MCR) funcionando em modo de compressão seguido de expansão simulando o ciclo de potência de um MCI. As aplicações de produção de energia de pequena escala usam habitualmente gás natural como combustível, deste modo o metano é também incluído neste trabalho por questões de comparação de performance com as composições típicas de syngas em estudo. Testes de compressão são também realizados em MCR operando com e sem combustão de modo a identificar os diferentes parâmetros de funcionamento, nomeadamente a transferência de calor na parede. Um modelo termodinâmico de simulação do ciclo de potência de um MCI é desenvolvido. A sua validação é efectuada por comparação com dados de pressão obtidos na literatura para hidrogénio e metano. O modelo é ainda adaptado para a MCR por alteração de vários aspectos do mesmo, nomeadamente a função de volume do cilindro e o modelo de velocidade de chama. O código mostrou-se adequado para simular a evolução da pressão no interior do cilindro. O modelo validado é então aplicado a MCI a syngas de modo a determinar a sua performance. Conclui-se que as composições típicas de syngas, apesar do seu baixo poder calorífico e velocidade de chama, podem ser utilizadas em MCI a elevada velocidade de rotação.
O syngas é mundialmente reconhecido como uma fonte de energia viável em particular para aplicações estacionárias. Neste trabalho, três composições típicas de syngas foram consideradas representativas do gás proveniente da gaseificação de biomassa florestal e estudada a possibilidade da sua utilização em motores de combustão interna. Primeiro, a velocidade de chama laminar fora determinada a partir de fotografia de schlieren a pressão constante. Em adição, o estudo dos efeitos da perturbação da chama é realizado através da obtenção dos números de Karlovitz e Markstein. Em segundo lugar, e dado existir lacunas na compreensão das características fundamentais da combustão de gás de síntese, em especial a pressões elevadas relevantes para aplicações práticas da combustão, é determinada a velocidade de chama laminar a volume constante para pressões até 20 bar. Esta informação é aplicada num código de simulação multi-zona da interacção chamaparede de modo a determinar a distância de extinção de chama. A combustão turbulenta em condições semelhantes ao motor de combustão interna (MCI) é reproduzida em máquina de compressão rápida (MCR) funcionando em modo de compressão seguido de expansão simulando o ciclo de potência de um MCI. As aplicações de produção de energia de pequena escala usam habitualmente gás natural como combustível, deste modo o metano é também incluído neste trabalho por questões de comparação de performance com as composições típicas de syngas em estudo. Testes de compressão são também realizados em MCR operando com e sem combustão de modo a identificar os diferentes parâmetros de funcionamento, nomeadamente a transferência de calor na parede. Um modelo termodinâmico de simulação do ciclo de potência de um MCI é desenvolvido. A sua validação é efectuada por comparação com dados de pressão obtidos na literatura para hidrogénio e metano. O modelo é ainda adaptado para a MCR por alteração de vários aspectos do mesmo, nomeadamente a função de volume do cilindro e o modelo de velocidade de chama. O código mostrou-se adequado para simular a evolução da pressão no interior do cilindro. O modelo validado é então aplicado a MCI a syngas de modo a determinar a sua performance. Conclui-se que as composições típicas de syngas, apesar do seu baixo poder calorífico e velocidade de chama, podem ser utilizadas em MCI a elevada velocidade de rotação.
Descrição
Tese de Doutoramento
Palavras-chave
Gaseificação de biomassa , Combustão , Syngas , Velocidade de chama , Máquina de compressão rápida , Modelação multi-zona