KFUPM ePrints

Experimental & Numerical Investigations of Oxy-fuel Combustion Using Porous Plate Reactor

l Experimental & Numerical Investigations of Oxy-fuel Combustion Using Porous Plate Reactor. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]
Preview
PDF (Experimental & Numerical Investigation of Oxy-fuel Combustion Using Porous Plate Reactor) - Submitted Version
20Mb

Arabic Abstract

يعتبر الوقود الاحفوري من أكثر الوسائل المستخدمة في تلبية تنامي الطلب العالمي للطاقة. واحتراق هذا الوقود ينتج غاز ثاني أكسيد الكربون والذي يعتبر أحد غازات الاحتباس الحراري. وثاني أكسيد الكربون الاصطناعي الناتج بعد احتراق الوقود الاحفوري يشكل تهديدات خطيرة تؤدي الى تغيير المناخ مثل ظاهرة الاحتباس الحراري. تجرى العديد من الدراسات لتتنفيذ تقنيات احتجاز وتخزين الكربون والتي تشمل ما قبل الاحتراق، واحتراق أوكسي الوقود وبعد الاحتراق. احتراق اوكسي الوقود يعتبر وسيلة مهمة لحجز الكربون. تتم عملية احتراق وقود الاوكسي في وجود الأكسجين النقي وينتج عن ذلك غاز ثاني أكسيد الكربون والماء كنواتج احتراق. وبعد ان يتم تكثيف الماء يمكن بسهولة احتجاز ثاني أكسيد الكربون وبالتالي لن يكون هنالك اي انبعاثات على الاطلاق. تم في هذه الدراسة التركيز على نموذج احتراق وقود الأوكسي في مفاعل احتراق مصمم باستخدام لوحات مسامية. في البداية يتم اجراء تجارب للتدفق بدون تفاعل لتحليل معدل مرور الأكسجين بغرض الحصول على نسب التكافؤ المطلوبة (قوة المزيج). تم قياس كل من التركيز المحوري والعمودي لمكونات غازات الاحتراق ثم تم عمل نموذج عددي باستخدام برنامج ديناميكا الموائع (CFD_FLUENT 6.3) التجاري ورسم النموذج باستخدام (Gambit 2.4) وتعريف الشروط الحدية للنموذج. بعد ذلك تم التأكد من صحة النموذج بعمل مطابقة مع النتائج المعملية وتم تنفيذ نموذج الخطوة الواحدة لتفاعل احتراق الميثان ثم اجريت دراسة لتحليل أثر نسبة التكافؤ، نسبة المؤكسد، النفاذية ورقم رينولدز. ووجد ان اقصى درجة حرارة في المفاعل تزيد بزيادة نسبة المؤكسد، نسبة التكافؤ (تصل الى1) ورقم رينولدز بنما تزيد درجة الحرارة الخارجة بزيادة معدل التدفق، نسبة التكافؤ و رقم رينولدز. أيضا فان نموذج الخطوة الواحدة يمكنه توقع درجة الحرارة ومعدل التفاعل اذا ما قورنت مع النموذج ذو الخطوتين والذي هو اكثر واقعية. أخيرا وجد ايضا ان منطقة التفاعل يمكن ضبطها للموقع المناسب في غرفة الاحتراق وذلك بتغيير حالات الدخول.

English Abstract

Fossil fuels are in abundant use to meet growing global energy demand. Burning of these fossil fuels produces CO2 which is considered a greenhouse gas. The carbon dioxide (CO2), resulting after the combustion of fossil fuels, is disturbing the CO2 cycle and consequently posing serious climate change which is a threat as global warming. Many studies are being undertaken for Carbon Capture and Sequestration (CCS) technologies which include pre-combustion, oxy-fuel combustion and post combustion. Oxy-fuel combustion provides a novel mean of capturing carbon since fuel is burnt in the presence of pure Oxygen only producing CO2 and water as combustion products. CO2 can be captured easily after condensation of water and there are no emissions at all. The present study focuses on experimentation and modeling of oxy-fuel combustion reaction in a specially designed combustion reactor using porous plates. The porous plates are used for the permeation of oxygen; the advantages of using porous plates include parallel flow configuration, controlled permeation of oxygen and stability at higher temperatures. Initially non-reactive flow experiments are performed to analyze the permeation rate of Oxygen in order to obtain desired stoichiometric ratios. Both axial and vertical concentration profiles of species were measured. Numerical model has been validated against the experimental results for non reactive flows. Simulations employing one step reaction and two step reaction kinetics models for methane combustion are performed and parametric study is carried out to analyze the effect of equivalence ratio, oxidizer ratio, permeability, and Reynolds number on the performance of the reactor. It was found that the maximum temperature in the reactor increases by increasing oxidizer ratio, equivalence ratio (up to 1) and Reynolds number and the outlet temperature increases by increasing the sweep flow rate, equivalence ratio and Reynolds number. The one step model over-predicts the temperature and reaction rates as compared to two step model. It was found that the reaction zone can be adjusted to desired region within the reaction chamber by varying inlet conditions.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Mostafa Habib, Mohamed Abdel-Aziz
Committee Members:Ahmed, Wael Hasan and Badr, Hassan Mohamed
ID Code:139351
Deposited By:FURQAN TAHIR (g201202820)
Deposited On:10 Sep 2014 09:15
Last Modified:10 Sep 2014 09:15

Repository Staff Only: item control page