Detailed kinetic modelling of soot formation in laminar premixed burner-stabilized stagnation ethylene flames

Combustion is the core of many large-scale processes, e.g. internal combustion engines, domestic heating, waste incineration, power plants. PAHs and soot are two important combustion byproducts. These nanoparticles lower the efficiency of many combustion devices and they can have a negative impact on the global climate and human health. Specifically, soot particles can penetrate into lungs. Therefore, the understanding of soot formation in terms of particles sizes and number density is crucial. In order to reduce soot formation, a deep understanding of the processes which lead to its formation, both chemical and physical ones, is needed. The aim of this work is to make a positive contribution to the modeling of soot formation, bringing a further improvement to the soot kinetic model developed at the CMIC department of the Politecnico di Milano. In this respect, the number of pseudo-species (BINs) through which the discretization of soot and PAH is carried out, has been increased from 20 to 25. Furthermore, the collision efficiency, which has a significant impact on soot formation and growth rates, has been made temperature-dependent. The model validation has been then performed by means of comparison with the experimental data, provided by Gu et al., obtained in laminar premixed ethylene flames with BSS configuration. These flames have been simulated as pseudo onedimensional systems with defined boundary conditions from experimental data. From the comparison between the experimental data and the model predictions, an overall reasonable agreement is observed in PSDFs, soot volume fractions and number densities. The qualitative trend is well captured, however, especially in extreme temperature conditions, a quantitative discrepancy is detected. This can be associated with a slight incongruity in the temperature profile prediction. Furthermore, in order to analyze the goodness of the assumed collision rate, a comparison with other rates has been performed. In particular, although the current assumption has been demonstrated to have the best agreement with the available experimental data, the Smoluchowski equation could be further investigated for future improvements.

I PAH e il soot rappresentano due importanti sottoprodotti della combustione, la quale sta alla base di numerosi processi di larga scala, come motori a combustione interna, riscaldamento domestico, incenerimento dei rifiuti, centrali elettriche. Queste particelle diminuiscono l’efficienza di molti dispositivi di combustione e hanno un impatto negativo sulla salute umana. Al fine di ridurre la formazione del soot, è necessaria una profonda comprensione dei processi che ne portano alla formazione. L’obiettivo di questo lavoro è dare un contributo positivo alla modellazione del soot, attraverso uno sviluppo del modello cinetico di formazione del soot nato nel dipartimento CMIC del Politecnico di Milano. A tale riguardo, il numero dei BIN delle pseudo-specie (BIN) attraverso le quali viene compiuta la discretizzazione dei PAH e del soot, è stato aumentato da 20 a 25. Inoltre, è stata introdotta la dipendenza dalla temperatura nel termine dell’efficienza di collisione, la quale costituisce un’importante variabile per la stima della velocità dei processi di formazione e crescita del soot. La capacità del modello di predire la formazione del particolato è stata quindi esaminata attraverso il confronto con i dati sperimentali forniti da Gu et al., ottenuti in fiamme premiscelate ad etilene con configurazione BSS. Tali fiamme sono state simulate come sistemi monodimensionali con opportune condizioni a contorno. Un buon accordo tra i dati sperimentali e le predizioni del modello è stato riscontrato nelle PSDF, nelle frazioni volumetriche di soot e nelle densità numeriche delle particelle. Nonostante l’andamento qualitativo generale sia corretto, nelle condizioni estreme di temperatura vi sono discrepanze quantitative, le quali possono essere ricondotte alla sottostima dei profili di temperatura. Infine, diverse equazioni per descrivere la velocità di collisione sono state testate sul modello, confrontandone i risultati al fine di verificare la bontà della forma scelta per il modello corrente. L’assunzione fatta si è rivelata essere quella maggiormente in accordo con i dati sperimentali, tuttavia l’equazione di Smoluchowski può essere ulteriormente studiata per futuri sviluppi.