Minimization of exergy losses in combustion processes by decreasing the entropy generation

Abstract

The aim of this research is to find new combustion methods to improve the efficiency of the combustion processes in electricity production. In the previous study the entropy generation was discovered to be very high during conventional isobaric combustion of carbon. This means high exergy losses, i.e., a lot of energy from fuel, which can be converted to work, is lost. In this research the current situation is determined first by calculating the adiabatic combustion temperature and entropy generation for different air factors in conventional isobaric combustion for fuels like carbon, methane, petrol, diesel and ethanol. A correlation between entropy generation and pressure is defined, when the combustion is not isobaric.

In order to decrease entropy generation the combustion must be led to its state of equilibrium. That means pressure increase during combustion. The state of equilibrium is approached by two different methods. First method is a circulating system for flue gas. In this system the temperature and pressure of flue gases is transferred stepwise to new combustion air by moving containers. Thus a compressor is not needed. An isobaric circulating system is calculated at first to examine the possible decrease of entropy generation by circulation. The pressure increase caused by decrease of entropy generation can then be defined. The isobaric circulation is not possible though, because the motion of gases requires a driving force like pressure difference. Thereby the next step is to test an isochoric circulating system, where the combustion is performed at constant volume. The isochoric system is not able to work due to occurred mass unbalance. In addition, the pressure increase is insufficient.

Another method to decrease entropy generation during combustion is to use a ceramic membrane as walls of a combustion chamber. The membrane is permeable to O₂-molecules from ambient air, but not to CO2- and H₂O -molecules produced in combustion. These combustion products cause pressure increase in the chamber. As a suitable level of pressure is achieved, the flue gases are led to a gas turbine. Due to pressure increase the entropy generation is low. This type of combustion with pure oxygen produces high adiabatic combustion temperature. Thus cooling or instant expansion work from system to its surroundings is needed due to the resistance of materials. At high pressures the theoretical efficiency of the process without cooling is better than in conventional combustion processes, but it could be still improved, if the flue gases were able to cool to lower temperature in expansion.

Tutkimuksen tarkoituksena on kehittää uusia polttotekniikoita sähköntuotannon hyötysuhteen parantamiseksi. Aiemmassa tutkimuksessa havaittiin, että hiilen tavanomaisella vakiopaineisella poltolla entropian generointi on suuri. Tämä tarkoittaa polttoprosesseissa suurta exergiahäviötä, eli polttoaineen työksi muunnettavissa olevaa energiaa kuluu paljon hukkaan. Tässä tutkimuksessa määritetään aluksi lähtötilanne nykytekniikan mukaiselle polttotavalle. Siten polttoaineille hiili, metaani, bensiini, diesel ja etanoli lasketaan tavanomaisen vakiopaineisen polton adiabaattiset palamislämpötilat sekä entropian generointimäärät eri ilmakertoimilla. Lisäksi määritetään korrelaatio entropian generoinnin ja paineen välille eri polttoaineille, kun palaminen ei tapahdu vakiopaineessa.

Entropian generoinnin vähentämiseksi palaminen on ohjattava lähemmäksi tasapainotilaansa. Kun näin tapahtuu, paine nousee palamisen aikana. Paineen nostamista autetaan kahdella eri tavalla. Ensimmäinen keino on pakokaasujen säiliötyyppinen kierrätysjärjestelmä, jossa pakokaasujen paine ja lämpötila pyritään siirtämään talteen uuteen palamisilmaan. Kompressoria ei tällöin tarvita. Järjestelmälle lasketaan aluksi isobaarinen eli vakiopaineinen kierrätys, jotta nähdään alkutilanne sille, miten paljon entropian generointia on kierrätyksellä mahdollista vähentää. Entropian generoinnin vähentämisestä johtuva paineennousu voidaan silloin laskea. Isobaarinen kierrätys ei kuitenkaan ole mahdollista, sillä kaasut eivät luku säiliöstä toiseen ilman ajavaa voimaa, kuten paine-eroa. Seuraavaksi testataan kierrätysjärjestelmää, jossa palaminen tapahtuu isokoorisesti eli vakiotilavuudessa. Tämä järjestelmä ei kuitenkaan toimi mm. ainetaseiden vuoksi. Lisäksi isokoorinen poltto ei nosta painetta tarpeeksi.

Toinen keino vähentää entropian generointia palamisen aikana on käyttää keraamista kalvoa polttokammion seinäminä. Kalvo päästää läpi ympäröivästä ilmasta polttoon tarvittavan hapen. Sen sijaan palamistuotteet hiilidioksidi ja vesihöyry eivät läpäise kalvoa, joten ne kasvattavat polttokammion painetta. Sopivan painetason saavutettua kaasut johdetaan esimerkiksi turbiinille. Polttokammion paineennousun ansiosta prosessin entropian generointi on pientä. Tällainen happipoltto aiheuttaa erittäin korkean adiabaattisen palamislämpötilan, joten materiaalien kestävyyden takia prosessin täytyisi tehdä työtä tai siihen tulisi lisätä jäähdytys. Teoreettinen hyötysuhde on suurilla paineilla korkeampi kuin tavanomaisessa poltossa, mutta sitä voitaisiin vielä nostaa, jos pakokaasut saataisiin paisuessaan jäähtymään alempaan lämpötilaan.