Experimental and numerical study of methane thermal partial oxidation in a fuel reformer based on a wall flow filter

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος ανταλλαγής ξένων φοιτητών, σε συνεργασία μεταξύ του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (Εργαστήριο Ετερογενών μιγμάτων και συστημάτων καύσης) (Καθ.Μ.Φουντη) και του Technical University Bergakademie Freiberg (Chair for Gas and Heat Technology) (Prof.D.Trimis). Πειραματική καθώς και αριθμητική διερεύνηση διενεργήθηκε για διεργασία θερμικής μερικής οξείδωσης μεθανίου, σε αναμορφωτή καυσίμου βασισμένο σε wall flow filter ή όποιος διαφορετικά καλείται soot trap (παγίδα αιθάλης.). Στο πειραματικό κομμάτι το οποίο διεξήχθη στο TU Freiberg, αξιολογήθηκαν τα χαρακτηριστικά της διαδικασίας αναμόρφωσης σε πρότυπο αναμορφωτή καυσίμου, με χρήση κεραμικού μέσου όπως είναι το soot trap και επιπλέον η κατακράτηση και αναγέννηση της αιθάλης μέσα στην ίδια γεωμετρία του αναμορφωτή. Επίσης αξιολογήθηκε η αποδοτικότητα του αναμορφωτή, ενώ ακόμα μετρήθηκαν οι κατανομές σωματιδίων αιθάλης μέσω του Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) και η περιεκτικότητα των χημικών ειδών των καυσαερίων. Όσον αφορά το κομμάτι της αριθμητικής προσομοίωσης, εκπονήθηκε ένα απλοποιημένο μοντέλο του αναμορφωτή θερμικής οξείδωσης ή όπως θα καλείται στο εξής T-POX (Thermal Partial Oxidation) αναμορφωτής, σε εμπορικό κώδικα CFD (Computational Fluid Dynamics) ΑNSYS-Fluent, περιλαμβάνοντας την προσομοίωση χημικής κινητικής της μερικής οξείδωσης του μεθανίου. Γι' αυτό το σκοπό ένα μειωμένος χημικός μηχανισμός αντιδράσεων εισήχθηκε και προσομοιώθηκε για διάφορες περιπτώσεις από άποψη θερμικής ισχύος και λόγους ισοδυναμίας αέρα. Επίσης ένα μοντέλο πρόβλεψης της πτώσης πίεσης στο soot trap των Κonstandopoulos-Johnson χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα πειραματικά. Στο πειραματικό κομμάτι καθώς και στην αριθμητική προσομοίωση η θερμική ισχύς στην οποία έγινε η μεγαλύτερη διερεύνηση ήταν για 1,5 kW δεδομένου ότι η κατασκευή του αναμορφωτή ήταν μικρών διαστάσεων. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η αποδοτικότητα έφτασε το 47% για λόγο ισοδυναμίας αέρα 0,5 και το 56% κατά την διάρκεια αναγέννησης της αιθάλης για λόγο ισοδυναμίας αέρα 0,6. Η εμφάνιση της αιθάλης (soot point) εντοπίστηκε για λόγο ισοδυναμίας αέρα 0,42. Η αποδοτικότητα του αναμορφωτή είναι αξιοσημείωτη και θα μπορούσε να αυξηθεί περισσότερο αν λειτουργούσε σε υψηλότερη θερμική ισχύ σε συνδυασμό με έναν βελτιστοποιημένο σχεδιασμό. Αυτό ίσως οδηγούσε σε χαμηλότερους λόγους ισοδυναμίας εμφάνισης της αιθάλης, αυξάνοντας την αποδοτικότητα και καθιστώντας αυτόν τον αναμορφωτή ανταγωνιστικό. Η πειραματική προσομοίωση έδειξε ότι είναι δυνατή προσομοίωση της πτώση πίεσης του soot trap εάν αυτό προσομοιωθεί στο ANSYS ως porous packed bed το οποίο θα λαμβάνει υπόψη τα πραγματικά χαρακτηριστικά του soot trap. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της χημικής κινητικής συγκρίθηκαν με τα πειραματικά και φάνηκε να συμφωνούν αρκετά με εξαίρεση την περίπτωση της συγκέντρωσης του μεθανίου όπου φάνηκε να υπερεκτιμάτε για λόγους που μπορούν να εξηγηθούν.

This diploma thesis was realized in the framework of the Erasmus student exchange program in cooperation between National Technical University of Athens (Laboratory of Heterogeneous Mixtures and Combustion Systems) (Prof.M.Founti) and Technical University Bergakademie Freiberg (chair for Gas and Heat Technology) (Prof.D.Trimis). An experimental and a numerical study was conducted for a thermal partial oxidation process of methane in a fuel reformer based on a wall flow filter or as so called soot trap. In the experimental part which was conducted in TU Freiberg was evaluated the enhancement in the characteristics of reforming process by utilizing a ceramic porous structure such as the soot trap, and further soot emission abatement in one component, the conditions of soot regeneration, the efficiency and the particulate emissions by measurements of soot particles distributions in the Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) and the exhaust gas analysis in its chemical species. Concerning the numerical work, was elaborated a simplified model of the T-POX reactor in the ANSYS-Fluent commercial CFD package including chemical kinetics of the partial oxidation process. In this part a pressure drop model for soot trap of Konstandopoulos-Johnson as well as a reduced GRI-MECH were introduced and different cases in terms of thermal load and air equivalence ratios were simulated and were compared with the experimental results. In both experimental and numerical work the thermal load which was investigated more, was 1,5 kW since the constructed reformer had a small size. The experimental results showed that efficiency reaches to 47% for air equivalence ratio 0,5 and to 56% during soot regeneration for air equivalence ratio 0,6. The soot point appeared for air equivalence ratio 0,42. The efficiency is notable and it could be increased more by operation in higher thermal loads and in combined with an optimization design. This maybe leads to lower soot points and could make the reformer based on a soot trap competitive. Numerical work shows that it is possible the soot trap to be simulated in terms of pressure drop prediction by a porous packed bed domain in ANSYS take under consideration the real characteristics of soot trap. The results of chemical kinetic simulations were compared with the experimental and it was observed a good agreement except from the methane volume fractions where the simulation over predicted it.