KFUPM ePrints

applications of oxy-fuel combustion technology into ion transport membrane reactors and gas turbine combustors

l applications of oxy-fuel combustion technology into ion transport membrane reactors and gas turbine combustors. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF
5Mb

Arabic Abstract

لتقليل إنبعاثات الغازات المسببة للإحتباس الحرارى وخاصة غاز ثانى أكسيد الكربون، تم تقييم العديد من الوسائل لمنع خروج ثانى أكسيد الكربون للجو فى الصناعة وخاصة التكنولوجيا المسماة حجز ثانى أكسيد الكربون. تعتبر تكنولوجيا الحرق عن طريق الأوكسجين واحدة من التكنولوجيا الواعدة من تكنولوجيات أسر ثانى أكسيد الكربون والتى يمكن تطبيقها فى محطات الطاقة القديمة والحديثة. هناك طريقتان لإستخدام تكنولوجيا الحرق عن طريق الأوكسجين, إحداهما عن طريق إستخدام وحدة فصل الهواء لإنتاج الأوكسجين الذى يمكن إستخدامه للحريق داخل غرف الإحتراق والأخرى عن طريق تكنولوجيا محركات الأغشية الممررة للأيونات. الهدف من البحث الحالى هو إجراء دراسة تفصيلية على هاتين الطريقتين لتطبيق تكنولوجيا الحرق بواسطة الأوكسجين. لتطبيق الطريقة الأولى، تم إجراء التحليلات بإستخدام الطريقتين العملية والرقمية على لهب منتشر تحت الضغط الجوى داخل نموذج مصغر لمحرك توربينة غازية. غرفة الإشتعال تم إمدادها بوقود الميثان وخليط مؤكسد مكون من الأوكسجين وثانى أكسيد الكربون. تمت دراسة تأثيرات عدد كبير من العوامل فى هذا البحث أملا فى دراسة إستقرار لهب الحرق بالأوكسجين وتحليل اللهب بالتفصيل. أظهرت نتائج الدراستين العملية والرقمية أن إستقرار لهب الحرق بالأوكسجين يتأثر كثيراً عندما تقل نسبة الأوكسجين فى الخليط المؤكسد عن 25 فى المائة. لتطبيق الطريقة الثانية، من خلال فهمنا لعملية مرور الأوكسجين خلال الغشاء وكذلك عملية الحرق بواسطة الأوكسجين عن طريق إجراء تحليلات ثنائية الأبعاد لمحرك غشاء ممرر للأوكسجين بسيط ومتماثل, تم عمل تصميم ثلاثى الأبعاد لمحرك غشاء ممرر لأوكسجين لإستخدامه بدلا من غرفة الإحتراق العادية فى محركات التوربينات الغازية. تم تطوير معادلة لمرور الأوكسجين خلال الغشاء بإستخدام البيانات المتاحة فى الأبحاث المنشورة سابقاً لمحرك غشاء LSCF الممرر للأيونات. من خلال الدراسة ثلاثية الأبعاد، فإن التصميم الحالى للمحرك الغشائى قادر على إنتاج قدرة من 5 إلى 8 ميجاوات بناءاً على الكفاءة المحسوبة من خلال القانون الأول للديناميكا الحرارية.

English Abstract

For decreasing greenhouse gas (mainly CO2) emissions, several approaches have been evaluated and reviewed for capturing CO2 in the utility industry, namely Carbon Capture and Storage technology (CCS). As a promising CCS technology, oxy-fuel combustion can be used in existing and new power plants. There are two main approaches available to utilize the oxy-combustion technology, one of them is the use of air separation units to separate O2 which will be used in the combustion process and the other application is the ion transport membrane (ITM) reactor technology. The objective of this proposed work is to study in details the above mentioned two approaches for applications in oxy-fuel combustion technology. For the application of the first approach, experimental and numerical investigations on an atmospheric diffusion oxy-combustion flame in a gas turbine model combustor are conducted. The combustor is fuelled with CH4 and a mixture of CO2 and O2 as oxidizer. A wide range of operating parameters was considered aiming to determine the stability limits of the oxy-combustion diffusion flame and characterize the flame in detail. The experimental and numerical results showed that the stability of the oxy-combustion flame is affected when the operating percentage of oxygen in the oxidizer mixture is reduced below 25 %. For the application of the second approach, from our understandings of the oxygen permeation and oxy-fuel combustion characteristics that come out from a 2D analysis of a simple symmetric ITM reactor, a new 3D reactor design is introduced for the substitution of ITM reactors into a gas turbine combustor. A new oxygen permeation equation model has been developed by fitting the experimental data available in the literature for a LSCF ion transport membrane. Based on the 3D analysis, the present proposed monolith structure design ITM reactor is capable of delivering power ranging from 5 to 8 MWe based on cycle first law efficiency.



Item Type:Thesis (PhD)
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Habib, Mohamed
Committee Co-Advisor:Ben-Mansour, Rached
Committee Members:Ghoniem, Ahmed and Badr, Hassan and Mezghani, Khaled
ID Code:138876
Deposited By:NEMIT-ALLAH MEDHAT AHMED (g201005140)
Deposited On:21 Aug 2013 22:56
Last Modified:21 Aug 2013 22:56

Repository Staff Only: item control page