ارائه‌کننده: سعید نوری کرم
استاد راهنما: دکتر محمد ضابطیان طرقی
استاد مشاور: دکتر کیومرث مظاهری بادی
استاد ناظر داخلی: دکتر مهدی معرفت
استاد ناظر خارجی: دکتر مقداد صفاری پور
تاریخ: 1403/11/14
ساعت: 8:30
مکان: دانشکده فنی و مهندسی، کلاس پ 6

چکیده:
کوره‌ها به‌عنوان سیستم‌هایی برای انتقال انرژی گرمایی از احتراق سوخت به سیالات یا اجسام جامد، در صنایع مختلف از جمله صنایع فولاد کاربرد فراوانی دارند. در این فرایند، دو فاکتور کلیدی که تأثیر زیادی بر عملکرد کوره‌ها دارند، دمای مطلوب و توزیع یکنواخت دما در دریافت‌کننده‌های حرارت است. با توجه به افزایش روزافزون نیاز به بهبود راندمان حرارتی، کاهش آلاینده‌ها و توزیع یکنواخت دما در محفظه احتراق، استفاده از فناوری‌های جدید مانند احتراق بدون شعله در این راستا توجه بسیاری را جلب کرده است. پژوهش حاضر به بررسی یک کوره عملیات حرارتی فولاد با افزودن هیدروژن به سوخت متان جهت دستیابی به توزیع یکنواخت دما در دریافت‌کننده‌های حرارت، افزایش راندمان حرراتی و کاهش آلاینده محیط زیستی پرداخته است. فرضیه‌ها بر بهره‌گیری از ترکیب سوخت متان و هیدروژن به‌عنوان سوخت پاک جهت بهبود یکنواختی دما و کاهش آلاینده‌ها تأکید دارند. در این شبیه‌سازی که با نرم افزار ANSYS Fluent 2023 R2 انجام شده است، از مدل k-ε Standard برای مدل‌سازی جریان اغتشاشی، مدل جهات گسسته برای شبیه‌سازی انتقال حرارت تشعشعی و مدل مفهوم اضمحلال گردابه برای مدل‌‍سازی واکنش میان احتراق و اغتشاش به‌کار رفته شدند. همچنین از انتقال حرارت توام بین جامد و سیال نیز برای محاسبه انتقال حرارت به قطعات فولادی استفاده شده است.
نتایج شبیه‌سازی با استفاده از مکانیزم چند مرحله‌ای JL نشان داد با افزودن 60 درصد هیدروژن به سوخت متان، توزیع دما بهبود یافته و نقاط داغ کاهش یافته‌اند. در ترکیب‌های دارای 80 درصد هیدروژن، علی‌رغم افزایش ظرفیت حرارتی، دمای میانگین و یکنواختی کاهش یافت. در ادامه، بررسی توزیع اکسیژن نشان داد که افزودن هیدروژن تا 60 درصد، مانع از تشدید اکسیداسیون فولاد می‌شود، در حالی‌که در ترکیب 80 درصد هیدروژن، غلظت اکسیژن از حد مجاز فراتر رفته و اکسیداسیون تشدید می‌گردد. همچنین، بررسی عدد دامکهلر که شاخصی برای تعیین رژیم مایلد است، نشان می‌دهد که در ترکیب‌های مختلف سوخت، رژیم مایلد در تمامی ترکیب‌ها به‌جز ترکیب 20 درصد متان و 80 درصد هیدروژن، امکان‌پذیر است. علاوه بر این، افزودن هیدروژن به سوخت متان به سبب کاهش ترکیبات کربن دار درون کوره منجر به کاهش انتشار آلاینده‌های کربنی به‌ویژه کربن دی اکسید در کوره‌ها می‌شود. همچنین میزان بیشینه کربن مونواکسید درون کوره نیز با افزایش گاز هیدروژن به گاز متان کاهش یافت.
در واقع میزان بیشینه کربن مونواکسید از 35/6 درصد در حالت شبیه‌سازی با 100 درصد گاز متان به 89/5 درصد در حالت شبیه‌سازی با 40 درصد متان و 60 درصد هیدروژن (شبیه‌سازی مناسب) کاهش یافت. مقایسه دو مکانیزم احتراقی JL و DRM22 (مکانیزم کاهش یافته) نشان داد که مکانیزم DRM22 دمای بیشینه بالاتری را نسبت به مکانیزم JL ایجاد می‌کند، در حالی‌که مکانیزم JL توزیع یکنواخت‌تری از دما را در کوره‌ها نشان می‌دهد. در شبیه‌سازی‌های انجام‌شده با استفاده از مکانیزم DRM22، به‌ویژه در ترکیب 30 درصد هیدروژن با 70 درصد متان، دمای بیشینه دریافت‌کننده حرارت به 1194 درجه سلسیوس و دمای میانگین آن به 1184 درجه سلسیوس رسید که بالاترین میزان دمای بیشینه و میانگین در تمامی شبیه‌سازی‌های مربوط به مکانیزم DRM22 بود. به‌طور خلاصه، این تحقیق نشان می‌دهد که افزایش هیدروژن در مخلوط سوختی متان/ هیدروژن می‌تواند به رشد نواحی با دمای بالا و ایجاد شرایط احتراق بدون شعله مطلوب منجر شود. همچنین، رقیق کردن اکسیژن در جریان اکسیدکننده و افزایش عدد رینولدز به‌عنوان عوامل کلیدی در بهبود عملکرد احتراق بدون شعله شناسایی شدند. در انتها، جهت صحت‌سنجی نتایج به‌دست آمده، تجهیزات لازم برای انجام آزمایش‌های تجربی تهیه شده و بدنه کوره مورد نظر ساخته شده است. این اقدام با هدف ارزیابی دقیق‌تر عملکرد سیستم در شرایط واقعی و مقایسه آن با نتایج شبیه‌سازی صورت گرفته است.