Single droplet combustion of heavy fuel oils

The heavy fuel oils (HFO) are widely used worldwide in power plants, for example in Saudi Arabia, Canada and Japan, or as fuel for marine engines. In its various applications, this fuel, is atomized and then burns in the form of droplets, in the combustion chamber. This phenomenon is so, quite complex. The technical improvement of the process pass through a better understanding of the physics involved in the problem, starting from the single droplet. For this purpose, the combustion of a single fuel droplet in a high temperature environment, was studied through the experiment of the suspended droplet. In this experiment the droplet is suspended on a thermocouple wire and introduced in the reactor where, an hot air flux heats the droplet until the evaporation generates enough vapor to observe combustion. Many information can be obtained from this experiment. In fact, using an high speed camera and a really sensitive thermocouple, it is possible to have the behavior in time of the main variables such as particle diameter and temperature profiles in time. Suitable algorithms have been developed in the last part of the thesis for the analysis of these data, in particular of the recorded images. Moreover, it was possible to derive how some parameters of industrial interest, depend on the initial conditions. On specific request of Saudi Electricity Company (SEC), which funds the project, the influence of the asphaltenes content on the combustion behavior was studied. The first part of the work highlighted the complexity of the problem, which makes difficult to describe correctly the physical behavior. The main difficulties are found within the impossibility to define the exact composition of the heavy oil, the lack of kinetic models for liquid phase that can explain the experimental data and the difficult control of the interphase dynamic. The solution to the first problem may be to elaborate a suitable surrogate for the numerical modelling. To this scope, a mixture, composed of n-Eicosane and n-Propylbenzene, was studied. This is the closest thing to HFO that can be actually modeled with the available tools. Obviously, the amount and the variety of molecules that compose HFO are very different from the surrogate. Anyway, some of the behaviors have been observed to be similar, as, for example the presence of micro-explosions. The surrogate was than studied with the same experimental procedure of the HFO, focusing on the influence of n-Propylbenzene percentage and initial size of the droplets. The last part of the thesis regards the numerical modelling of the experiments with the surrogate. For this purpose it was used a model of droplet in microgravity conditions that is part of the OpenSMOKE++ framework. The numerical results are affected from the numerous differences between the experimental conditions and the model. The most relevant limitations are: spherical symmetry, no reaction in liquid phase and a simplified description of convective fluxes. The results, even with clear limitations, are not far from the experimental data and they can be a start for further development that will necessarily include a detailed Computational Fluid-Dynamics (CFD) analysis.

Gli oli combustibili pesanti (o HFO) sono ampiamente utilizzati nelle centrali elettriche in molti paesi, quali, ad esempio, Arabia Saudita, Canada e Giappone ed inoltre, come combustibili per motori navali. Nelle sue varie applicazioni, questo tipo di combustibile, viene nebulizzato e brucia quindi, sotto forma di gocce, all’interno della camera di combustione. Il fenomeno in questione è molto complesso, ma, il miglioramento tecnico del processo, passa da una più ampia comprensione della fisica del problema, partendo dalla singola goccia. Si è voluto, a questo scopo, studiare il comportamento di una singola goccia di combustibile in un ambiente ad alta temperatura tramite l’esperimento della goccia sospesa. Questo esperimento consiste nel sospendere, con l’ausilio di una sottile termocoppia, una goccia di olio combustibile all’interno di un reattore isolato e portato a temperature tali da osservare la formazione di una fiamma grazie ad una corrente di aria calda a bassissima velocità. Un gran numero di informazioni possono essere dedotte da questo tipo di esperimento. Infatti, con l’ausilio di una videocamera da laboratorio e di una termocoppia ad alta precisione, si è ottenuto l’andamento delle principali variabili, diametro della particella e temperatura, nel tempo. Degli appositi algoritmi per l’elaborazione delle immagini inoltre sono stati sviluppati nel corso dell’ultima fase del lavoro di tesi. Inoltre, grazie ad un’analisi parametrica è stato possibile analizzare come parametri di interesse industriale, quali tempo di ignizione e tempo di consumo, sono influenzati dalle condizioni di partenza. Su richiesta della Saudi Electricity Company (SEC) che ha finanziato il progetto, è stato svolto uno studio sull’influenza della percentuale di asfalteni sul comportamento del combustibile. Il lavoro svolto nella prima parte ha evidenziato le complessità del problema, complessità che rendono difficile una corretta descrizione del fenomeno. Tra le più importanti vi sono: l’impossibilità di stabilire l’esatta composizione del combustibile, che, inoltre, varia a seconda dei campioni, la mancanza di modelli cinetici per la fase liquida che consentano l’interpretazione dei dati sperimentali, la difficile gestione dell’interfaccia liquido-vapore. Una soluzione al primo problema potrebbe essere quella di identificare un valido surrogato da usare per la modellazione numerica. A questo scopo, è stato studiato un surrogato, composto di n-eicosano ed n-propilbenzene che è quanto di più vicino ad un olio pesante possa essere modellato con gli strumenti attualmente a disposizione. Ovviamente le differenze tra i due combustibili sono sostanziali, sia nella varietà che nel tipo di molecole di cui sono composti. Ad ogni modo alcuni comportamenti sono stati osservati essere comuni ad entrambi come, ad esempio la presenza di micro esplosioni. Il surrogato è stato quindi studiato con lo stesso iter sperimentale dell’HFO, ponendo, questa volta, attenzione all’influenza della percentuale di n-Propilbenzene in miscela. I risultati si sono rivelati molto vicini ai dati trovati in letteratura riguardanti emulsioni. L’ultima parte della tesi ha riguardato la modellazione dell’esperimento con il surrogato usando un modello di goccia in microgravità facente parte del codice OpenSMOKE++. Numerose sono le approssimazioni nel passaggio dal vero problema fisico a quello effettivamente simulato, tra queste, le più rilevanti sono: nessuna reazione in fase liquida, simmetria sferica e assenza di gravità e trattando in modo semplificato i flussi convettivi. I risultati, anche se non perfetti, sono comunque utili come base di partenza per futuri sviluppi che comprenderanno tecniche nell’ambito della fluidodinamica computazionale (CFD) come gestione dell’interfaccia e risoluzione del campo di moto nelle due fasi.