Effect of Air-Fuel Equivalence Ratio on Combustion Process in Furnace of Razi Petrochemical Company’s Ammonia Unit

Authors

1 Asst. Prof., Dept. of Mech. Eng., Faculty of Engneering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.

2 Shahid Chamran University of Ahvaz

3 Associate Professor of Mechanical Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.

Abstract

Effect of fuel-to-air equivalence ratio on combustion process in the furnace of Razi petrochemical company’s ammonia unit is numerically analyzed in this paper. Three-dimensional geometry of the furnace has been modelled based on non-premixed fuel and air assumption. Modeling of steady-state compressible reactive-turbulent combustion is presented by the basic conservation equations considering the effects of conductive, convective and radiative heat transfers. Zeldovich and Fenimore mechanisms have been employed to account thermal and prompt NOx emission. Numerical results obtained with 99% accuracy compared to experimental data on a computational grid possessing 3165349 elements. Results showed that reduction of equivalence ratio causes the maximum flame temperature to approach inlet fuel nozzle and decrease flame length. High temperature at the furnace outlet is caused by better mixing of flows in great equivalence ratios. The production of NOx pollutants in the equivalence ratios of 0.833, 0.714 and 0.625 increases by 50.62, 53.23 and 56.2 percentages respectively with respect to the stoichiometric state.

Keywords


[1] Barten H (2005) International Energy Agency. Electricity/heat in world in.
[2] EV, D.S.A. (2011) CO2 emissions from fuel combustion.
[3] Jia Y, Zhou W, Tang J, Luo Y (2020) Design optimization and cfd evaluation of a volute swirl burner with central gas supply. J Braz Soc Mech Sci 42.
[4] Silva Neto GC, Chui DS, Martins FP, Fleury AT, Furnari F, Trigo FC (2021) Identification of co2 and o-2 emissions dynamics in a natural gas furnace through flame images, armax models, and kalman filtering. J Braz Soc Mech Sci 43.
[5] Mancini M, Weber R, Bollettini U (2002) Predicting NOx emissions of a burner operated in flameless oxidation mode. Proceedings of the combustion institute 29(1): 1155-1163.
[6] Yang W, Blasiak W (2005) Numerical study of fuel temperature influence on single gas jet combustion in highly preheated and oxygen deficient air. Energy 30(2-4): 385-398.
[7] Vuthaluru R, Vuthaluru HB (2006) Modelling of a wall fired furnace for different operating conditions using FLUENT. Fuel Process Technol 87(7): 633-639.
[8] De A, Oldenhof E, Sathiah P, Roekaerts D (2011) Numerical simulation of delft-jet-in-hot-coflow (djhc) flames using the eddy dissipation concept model for turbulence–chemistry interaction. Flow Turbulence Combust 87(4): 537-567.
[9] Yapıcı H, Kayataş N, Albayrak B, Baştürk G (2005) Numerical calculation of local entropy generation in a methane-air burner. Energ Convers Manage 46(11-12): 1885-1919.
[10] Saario A, Rebola A, Coelho P, Costa M, Oksanen A (2005) Heavy fuel oil combustion in a cylindrical laboratory furnace: measurements and modeling. Fuel 84: 359-369.
[11] Elorf A, Sarh B (2019) Excess air ratio effects on flow and combustion caracteristics of pulverized biomass (olive cake). Case Stud Therm Eng 13: 100367.
[12] Tu Y, Xu S, Xie M, Wang Z, Liu H (2021) Numerical simulation of propane MILD combustion in a lab-scale cylindrical furnace. Fuel 290: 119858.
[13] عباسی س­ح، امی ف­الف، صبوحی ز (1399) مطالعه عددی مشخصات جریان در یک محفظه احتراق پاشش مستقیم رقیق تک المان. نشریه علمی مکانیک سازه­ها و شاره­ها 302-287 :(4)10.
[14] موسوی­ترشیزی س­الف، رفیعی ع، سعادتی الف (1384) شبیه‌سازی مشعل‌های نیروگاه شازند به روش عددی و بررسی اثر هوای اولیه بر شکل و محل شعله. بیستمین کنفرانس بین المللی برق، تهران، ایران.
[15] سهرابی­کاشانی الف (1384) افزایش راندمان احتراق در بویلر‌های نیروگاهی از طریق تنظیم هوای اضافی. اولین کنفرانس احتراق ایران، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.
[16] جلیلی­مهر م، مقیمان م، نیازمند ح (1396) مطالعه اثر پیش گرمایش سوخت گاز طبیعی بر تشکیل دوده، درخشندگی شعله و انتشار NO به روش عددی و آزمایشگاهی. نشریه علمی مکانیک سازه­ها و شاره­ها   90-79 :(1)7.
[17] شریعتی ع، ثقه­الاسلامی ن (1397) مطالعه عددی پارامترهای اثرگذار در مشعل محیط متخلخل با ایجاد یک شیار در محور ماتریس تخلخل. نشریه علمی مکانیک سازه­ها و شاره­ها 340-327 :(3)8.
[18] کیانی م، باشی ح، هوشفر الف (1398) بررسی عددی میدان دمایی و ساختار شعله آرام گاز متان و هیدروژن در جت­های برخوردی مایل. نشریه علمی مکانیک سازه­ها و شاره­ها 261-251 :(4)9.
[19] حشمتی ن، میرساجدی س­م (1399) بررسی آزمایشگاهی اثر تغییرات طول نازل مشعل بر مشخصه­های احتراقی شعله پیش­آمیخته چرخشی. ماهنامه علمی-پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس 2515-2509 :(10)20.
[20] زرگرباشی ع، تابع­جماعت ص، صرافان­صادقی س، شیخ بگلو س (1399) بررسی تجربی اثر مشخصه­های جریان ورودی و طول محفظه بر دینامیک شعله پیش­آمیخته جزیی در راکتورهای ابعاد مزو استوانه­ای شکل با قطر ثابت و طول­های مختلف. ماهنامه علمی-پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس 2708-2697 :(12)20.
[21] حاتمی م، قلی­پور ع (1400) مطالعه تجربی و      بهینه­سازی عددی پارامترهای هندسی مشعل در کوره پیش­گرم خط پرس مجتمع صنعتی فولاد اسفراین. ماهنامه علمی-پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس    488-479 :(7)21.
[22] میرباقری م، مظاهری ک، ابراهیمی­فردویی الف، علی­پور ع­ر (1399) مطالعه عددی تاثیر توان مشعل شعله تخت بر ایجاد توزیع دمای یکنواخت در کوره­های کراکینگ. نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 1396-1379 :(6)52.
[23] White FM (2011) Fluid Mechanics. 7th Edition, McGraw-Hill.
[24] Zhang C, Ishii T, Hino Y, Sugiyama S (2000) The numerical and experimental study of non-premixed combustion flames in regenerative furnaces. J Heat Transfer 122(2): 287-293.
[25] Cengel YA, Boles MA (2015) Themodynamics: An Engineering Approach. 8th Edition, McGraw-Hill.
[26] Yang X, Clements A, Szuhánszki J, Huang X, Moguel OF, Li J, Gibbins J, Liu Zh, Zheng Ch, Ingham D, Ma L, Nimmo B (2018) Prediction of the radiative heat transfer in small and large scale oxy-coal furnaces. Appl. Energy 211: 523-537.
[27] Zel'dovich YB (1946) The oxidation of nitrogen in combustion explosions. Acta Physicochimica U.S.S.R. 21: 577-628.
[28] van Essen VM, Sepman AV, Mokhov AV, Levinsky HB (2007) The effects of burner stabilization on Fenimore NO formation in low-pressure, fuel-rich premixed CH4/O2/N2 flames. P Combust Inst 31(1): 329-337.