Experimental investigation of flame structure of CO2-diluted syngas and biogas mixtures by laser diagnostics

Rehel, Brendan (2013). Experimental investigation of flame structure of CO2-diluted syngas and biogas mixtures by laser diagnostics. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The primary objective of this research project is to experimentally investigate the laminar flame structure of syngas and biogas mixtures through Raman laser spectroscopy. The gaseous fuel mixtures have been predetermined by an industrial partner and are composed of varying concentrations of H2, CO and CH4 with CO2 dilution. The laminar flame structure was characterized through measurements of flame temperature as well as major species concentration (H2, CO, H2O, CO2, O2, N2 and CH4 where applicable) at standard temperature and pressure conditions. The target operating conditions were set at an equivalence ratio of 3 and a Reynolds number of 1400. In total, four different groups of fuel mixtures are represented in this study: 1) one biogas fuel with 40% CO2 dilution; 2) four syngas fuels with CO2 dilution; 3) three syngas fuels with 5% CH4 and 20% CO2 dilution; 4) two syngasmethane mixtures with CO2 dilution. The analysis of the experimental results is divided into four sections, each one corresponding to a fuel group. Concerning the biogas with 40% CO2 dilution, it was seen that CH4 depletion occured at a radial distance which corresponds to the the maximum concentration of H2O and the minimum concentration of O2. The maximum temperature was located at the flame’s reaction boundary whereas much of the central axis of the flame was occupied by unburned reactants. The syngas mixtures with 25% CO2 dilution demonstrated that a decrease in H2/CO ratio causes a decrease in flame temperature due to an increase in radiative heat loss stemming from the additional CO2 production. An increase in flame cone length, or a decrease in laminar burning velocity, was noted in conjunction with decreasing H2/CO ratio. Conversely, increasing H2/CO ratios coincide with higher levels of H2O production and shorter flame cones. CO2 addition causes a decrease in flame size as well as a decrease in flame temperature. Regarding syngas mixtures with 5% CH4 and 20% CO2 dilution, the experimental results suggest that the CH4 reacts and/or dissociates early, within the first 10% of the flame’s visible height. It was shown that the height of flame cones decreased in conjunction with increasing H2/CO ratio, suggesting an increase in laminar burning velocity. The flames of methane-syngas mixtures with CO2 dilution provided evidence of CH4 dissociation early in the flame’s development since measured H2 and CO concentrations increased slightly. It was noted that the maximum concentration of H2O occurred at the same radial location as the maximum temperature. In general, reaction boundaries of laminar, partially premixed flames of all syngas and biogas mixtures could be identified by a decrease in the concentrations of the unburned reactants and an increase in the concentrations of H2O and CO2. The reaction boundary is also characterized by an increase in O2 and N2 concentrations. The flame temperature reduces to room temperature beyond this reaction boundary.

Résumé traduit

Ce projet de recherche a pour but d’examiner expérimentalement la structure de flamme laminaire par spectroscopie Raman et ce, pour différents syngas et biogaz. Les carburants gazeux, qui ont été prédéfinis par un partenaire industriel, sont composés d’une combinaison de H2, CO et CH4 et de la présence d’un diluant, le CO2. Plus précisément, la structure de flamme pour chaque carburant à été défini par des mesures de température de flamme ainsi que des mesures des espèces majeures dans la flamme (dont l’H2, CO, H2O, CO2, O2, N2 et CH4 où approprié) à une richesse de 3, une nombre de Reynolds de 1400, et une température et pression standard. Au total, quatre groupes de carburants ont été considérés dans cette étude : 1) un carburant biogaz avec 40% CO2; 2) quatre carburants de syngas avec dilution de CO2; 3) trois carburants de syngas avec 5% CH4 et 20% CO2; 4) deux mélanges de méthanesyngas avec dilution CO2. Ainsi, l’analyse des résultats expérimentaux a été divisée en quatre sections, chacune correspondant à un groupe de carburants. En ce qui concerne le biogaz avec 40% CO2, les résultats démontrent que la position radiale de la valeur maximale d’H2O correspond à la position radiale d’une concentration de CH4 égale à zéro ainsi que la position
où l’O2 atteint une valeur minimale. La valeur maximale de la température se situait à la frontière de la réaction chimique de la flamme. Toutefois, l’axe central de la flamme se composait largement de carburant imbrûlé. Les quatre carburants syngas avec dilution de 25% de CO2 démontrent qu’une diminution du ratio H2/CO entraine une diminution dans la température de flamme en raison d’une augmentation des pertes de chaleur par radiation causée par la croissance de la production de CO2. La diminution du ratio H2/CO provoque aussi une augmentation de la hauteur du cône interne de la flamme, ce qui indique une baisse de la vitesse de flamme laminaire. De plus, l’augmentation du ratio H2/CO amène une croissance de la production d’H2O et une diminution de la hauteur du cône interne. L’addition de CO2 au carburant cause une diminution de la hauteur de flamme ainsi qu’une réduction de la température de flamme. Concernant les flammes de syngas avec 5% CH4 et 20% CO2, les résultats démontrent que le CH4 réagit et/ou se dissocie tôt dans l’évolution de la flamme. La hauteur du cône interne de la flamme diminue avec l’augmentation du ratio H2/CO, indiquant une augmentation de la vitesse de flamme. L’addition de l’H2 peut augmenter la vitesse de flamme grâce aux effets chimiques sans influencer la température de flamme adiabatique. Les deux mélanges méthane-syngas avec dilution CO2 démontrent que le CH4 dissocie tôt dans le développement de la flamme. La concentration maximale de l’H2O s’y trouve à la même distance radiale que la température maximale. Parmi tous les carburants, les frontières de réaction pour les flammes laminaires partiellement prémélangée sont caractérisées par la diminution de la concentration des réactants, une augmentation des produits de combustion, et la diminution de la température de flamme à la valeur ambiante.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree in mechanical engineering" Bibliographie : pages 115-118.
Mots-clés libres:	Flamme. Gaz carbonique. Biogaz. Mélanges (Chimie) Spectroscopie Raman. Spectroscopie laser. Carburants. Évaluation laminaire, structure, syngas
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	14 août 2013 13:44
Dernière modification:	10 mars 2017 20:56
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1196

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