Combustion characteristics of ammonia as a promising alternative fuel

Yüksek hidrojen yoğunluğu ve dünyada hâlihazırda mevcut bulunan üretim/dağıtım altyapısı amonyağı (NH3) elektrik üretimi veya taşımacılık uygulamalarında kullanılabilecek, karbon içermeyen temiz yakıtlar arasında ön plana çıkarmaktadır. Amonyağın yakıt olarak geniş çaplı olarak kullanılmaya başlanabilmesi için iki teknik hususun çözülmesi gerekmektedir: yavaş yanma hızı dolayısıyla ortaya çıkabilecek yanma karasızlıklarının bertaraf edilmesi ve yanma sırasında oluşabilecek, molekül içeresindeki serbest nitrojenden kaynaklanan, NOx salınımının minimize edilmesi. Bu çalışmanın esas hedefi amonyağın temiz ve verimli bir şekilde yakılabilmesi için gerekli teknolojilerin geliştirilmesidir. Bu amaca ulaşmak için hem kimyasal kinetik hesaplamalar, hem de deneysel çalışmalar beraberce yürütülmüştür. Bu çalışmada öncelikle NH3/H2/hava sisteminin gaz türbinleri gibi pratik sistemlerde görülen yüksek basınçlarda ve yüksek hava/yakıt karışım oranlarındaki yanma dinamiğini incelenmiştir. Laminer ön karışımlı alev modeli yanma karakteristiklerinin belirlenmesi için kullanılmıştır. NOx oluşum hassasiyet hesaplamaları NOx seviyesini pratik sistemlerde istenen değerlere düşürmek için lokal olarak yakıt ağırlıklı yanma tekniğinin kullanılabileceğini göstermiştir. Kimyasal kinetik konusunda yapılan araştırmaların en önemli hedefi yanma odası tasarımını destekleyecek sayısal hesaplamaların yapılmasını kolaylaştırabilecek indirgenmiş yanma mekanizmalarının geliştirilmesidir. Bu bağlamda çok geniş basınç sıcaklık ve hava yakıt oranlarında, yüksek doğrulukla çalışan, Konnov mekanizmasından türetilmiş iki indirgenmiş yanma mekanizması geliştirilmiştir. İndirgenmiş mekanizmalar NOx seviyelerini ve yanma hızını geniş bir operasyonel parametre aralığında oldukça doğru olarak hesaplayabilmektedir. Çıkan sonuçların değerlendirilmesi sonucunda indirgenmiş mekanizmaların deneysel ölçümler ve Konnov mekanizması ile yapılan hesaplamalar ile neredeyse ayni sonuçları verdiği görülüşmüş olup, indirgenmiş mekanizma ile yapılan hesapların Konnov mekanizmasına göre 1/5'lik bir CPU zamanında tamamlanabildiği tespit edilmiştir. Deneysel araştırmalar NH3/H2/hava sistemi için atmosferik basınç ve sıcaklıkta yapılmış olup, yanma kararlılığını sağlamak için SiC bazlı geçirgen bloklar kullanılmıştır. Laboratuvar ortamında yapılan yanma deneylerinde geniş bir amonyak konsantrasyon ve hava yakıt oranı yelpazesi için kararlı alevler ve yüksek yanma verimleri elde edilmiştir. Yanma odası çapı, hava yakıt oranı, amonyak oranı gibi önemli parametrelerin yanma kararlılığına etkileri araştırılmıştır. Testler oldukça yüksek termal güç yoğunluğu değerlerinde yapılmıştır. NOx değeri ölçümleri yakıt ağırlıklı hava yakıt oranlarında 35 ppm kadar düşük sevilerde salınım elde edilebileceğini göstermiştir. Test edilen konfigürasyonunun yüksek verimli, kararlı ve temiz bir yanma sağladığı tespit edilmiş olup ve bu tür sistemlerin amonyak bazlı endüstriyel yanma sistemlerine uygulanabilirliği için umut verici olduğu değerlendirilmektedir.