Combustion of selected alternative liquid fuels at oxy-fuel conditions: experiments and modelling

Abstract: Förbränning är både vår största källa till energi och ett stort hot mot miljön i form av föroreningar och växthusgaser. Ett par av de stora bovarna i sammanhanget är koldioxid och kväveoxider och de stora mängderna av dessa i atmosfären. Där bidrar koldioxid till den globala uppvärmningen i egenskap av växthusgas. Kväveoxider påverkar både miljö och människors hälsa negativt genom att bilda marknära ozon. Tillsammans med vatten orsakar kväveoxiderna surt regn som skadar skogar och vattenbaserade ekosystem.Försök till att begränsa koldioxidutsläpp görs genom Carbon Capture and Storage-tekniker (CCS). Dessa tekniker går ut på att separera ut koldioxiden och lagra den istället för att släppa ut den i atmosfären. I oxy-fuel-tekniker inom CCS kan koldioxiden återanvändas under förbränningsprocessen tillsammans med syre istället för luft. Kombinerat med biobränslen kan till och med ett negativt netto-utsläpp av koldioxid nås via oxy-fuel-tekniker. Att återanvända koldioxiden förändrar dock förutsättningarna för förbränningsprocessen jämför med konventionell förbränning med luft. Därmed skapas ett behov av grundläggande forskning angående förbränning av bränslen vid koldioxidrika förhållanden.En viktig komponent för att förstå bränslen och dess kemi är att studera grundläggande egenskaper hos bränsleblandningar, som den laminära flamhastigheten. Det är den hastighet som en flamma rör sig genom att konsumera en bränsle/syreblandning. Det är en unik egenskap hos ett bränsle som i första hand är beroende av bränslet och dess kemi. Under arbetet som presenteras i denna avhandling har mätning av den laminära flamhastigheten varit en stor del av det experimentella arbetet. Heat flux metoden användes för att mäta de laminära flamhastigheterna. Metoden tillåter att flamman stabiliseras på brännaren vid hastigheter nära den laminära flamhastigheten och utnyttjar därefter värmeutväxlingen mellan brännaren och flamman för att hitta den laminära flamhastigheten. De laminära flamhastigheterna ger inte bara information om bränslets förbränningsegenskaper, utan är värdefullt för att validera vår teoretiska förståelse för förbränningskemi.På grund av de höga temperaturerna vid förbränning så är förbränningskemi komplext att studera experimentellt. Många reaktioner kan ske och under korta tidsförlopp. Det gör det svårt att studera detaljer av förbränningskemin experimentellt. Därför är kinetiska modeller ett bra komplement till experimentella studier för förbränningsprocesser och bränslekemi. Kinetiska reaktionsmekanismer är en samling av kemiska reaktioner som används tillsammans för att beskriva kemin av ett bränsle vid förbränning. Genom att använda kinetiska modeller kan både flamegenskaper förutspås vid förhållanden som inte studerats experimentellt, och information om kemin ser ut på detaljnivå fås. Kvaliten på resultaten från kinetiska mekanismerna är dock starkt beroende på hur väl mekanismerna kan förutspå förbränningsegenskaper där vi har experimentella resultat. Det är viktigt att jämföra de simulerade resultaten med experiment vid olika förhållanden. Därigenom fås mekanismer som reflekterar så realistisk kemi som möjligt och i förlängningen tillförlitligt kunna användas utanför förhållanden som täcks av experimentella resultat. Därför innehåller studierna i denna avhandling mekanism validering, inte bara mot de egna resultaten utan även mot experiment från litteraturen. Det här forskningsprojektet fokuserar på att bidra med ny kunskap genom nya experimentella studier av grundläggande förbränningsegenskaper hos bränslen, under förhållanden som aldrig blivit undersökta för dessa bränslen tidigare. Flamhastigheter mättes för kända bränslen vid koldioxid rika förhållanden. Antändning undersöktes hos ett kvävebaserat bränsle. Kunskapsläget om kemin för de utvalda bränslena utreddes genom att testa prestationen hos väletablerade kinetiska mekanismer som presterar väl vid förbränning i luft, mot de nya experimentella resultaten.Bränslena som studerats i denna avhandling valdes med tanke på dess relevans för biobränslen. Alkoholer är vanliga biobränslen med användningsområden i dagen samhälle. Alkoholer används som bränsle, med etanol som är ett vanligt bränsle för bilar och metanol som används till båtmotorer. De är även intressanta i egenskap av förstadier till aldehyder, vilka är vanliga komponenter under förbränning av många andra bränslen. En positiv sidoeffekt vid användning av oxy-fuel-tekniker är att mängden kväveoxider minskar. Det är en effekt både av att inget kväve tillförs via luft och de ändrade förbränningsförhållandena som till exempel förbränningstemperatur och kemi. Då inget kväve tillförs via luft så återstår kväveoxiderna som ursprungligen från kväve bundet i bränsle. Ett kvävebaset bränsle som används idag är nitrometan, med tillämningar inom till exempel dragracing. Förutom dess användning som ett bränsle, så är nitrometan framför allt utmärkt som modell för att studera bränslebundet kväve på grund av dess kväve-innehåll bundet till kolet och dess enkla struktur.Laminära flamhastigheter för etanol och metanol tillsammans med O2+CO2 mättes med hjälp av Heat flux metoden för första gången. Därefter används resultaten för att utvärdera hur väl etablerade kinetiska mekanismer från litteraturen klarar av att beskriva alkoholkemin under koldioxidrika förhållanden. Där såg vi att mekanismer som presterar bra i konventionell förbränning med luft presterar sämre vid förbränning med koldioxid. Genom studien på etanol kom insikten att modellerna hanterar kemin under koldioxid-rika förhållanden liknande som de hanterar förbränning med luft. Intressant är att trots att de presterar väl för etanol+luft så skiljer sig prestationerna hos mekanismerna för etanol flammorna med mokylärt syre+koldioxid skiljer i kvalitet både jämfört med luft och emellan mekanismerna. I studien om metanolförbränning så visades det på att enkla modifieringar av kemin kunde förbättra kvaliteten på prestationen vid CO2-rika förhållanden utan att kompromissa på kapaciteten för att beskriva förbränning vid luft för en etablerad mekanism från litteraturen.För nitrometan studerades både den laminära flamhastigheten och trender i dess antändning. Med hjälp av de experimentella resultaten tillsammans med modelleringen och litteraturstudier bekräftades det att nitrometanförbränning har en ovanlig struktur, med två stadier både i flammor och under antändning. Den insikten användes till att utvärdera experimentella resultat från litteraturen och analysera de egna resultaten. Genom studien av antändningsfördröjningstiden i nitrometan+O2+N2 kunde informations om egenskaper som tryck- och temperaturberoende och beroendet av blandningsförhållande utredas för båda stadierna av antändningen. Aktiverings energi kunde härledas från för båda stadierna. Studierna om nitrometan visade på att kemin av nitrometan är ännu inte fullt utredd. Egenskaper som tryckoberoende antändning och flamhastigheter vid CO2-rika förhållanden kunde inte förutspås genom modellering. Tillsammans visade nitrometan-studierna på att kunskapsläget om förbränning av bränslen med kolbundet kväve genom nitrometan inte är tillräckligt. För att framgångsrikt kunna beskriva nitrometans grundläggande förbränningsegenskaper och kemi korrekt behövs djupgående studier som täcker olika förhållanden och förbränningsegenskaper.