KFUPM ePrints

NUMERICAL MODELING OF OXY-COMBUSTION OF LIQUID FUEL IN THE FURNACE OF A WATER-TUBE BOILER

l NUMERICAL MODELING OF OXY-COMBUSTION OF LIQUID FUEL IN THE FURNACE OF A WATER-TUBE BOILER. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (MS Thesis) - Accepted Version
7Mb

Arabic Abstract

تكتسب تكنولوجيا إلتقاط الكربون سمعة كواحدة من الحقول الأكثر تحديا من البحث وذلك بسبب الإهتمام المتزايد بظاهرة الاحتباس الحرارى. توجد هناك تكنولوجيا واعدة جدا لالتقاط ثانى أوكسيد الكربون وهي تكنولوجيا الحرق بالأوكسوجين. تقدم تكنولوجيا الحرق بالأوكسوجين العديد من المزايا على تقنيات الاحتراق التقليدية، مثل تخفيض حجم غاز العادم، وإرتفاع كفاءة الاحتراق، وانخفاض استهلاك الوقود وخفض كبير في انبعاثات أكاسيد النيتروجين. الوقود السائل متاح ويعتبر مصدر الطاقة الأكثر استخداما في العالم. يتميز الوقود السائل عن المصادر الأخرى للطاقة بسهولة التعامل والنقل، وقلة حجم التخزين وإرتفاع درجة حرارة اللهب. في هذه الدراسة، تم تطوير نموذج حسابي (CFD) لإحتراق الوقود السائل وتم تنفيذ عملية المصادقة على النموذج من خلال المقارنة مع البيانات التجريبية المتوفرة. تم كذلك تعديل النموذج الحسابى ليكون صالح للإستخدام فى العملية الحسابية لعملية حرق وقود السائل يحتوى على 5 إلى 6 ذرات كربون بإستخدام الأوكسوجين فى الغلايات البخارية. تم إدراج نموذج للحرق على أساس عدم الخلط بين الأوكسوجين والوقود باستخدام دالة الكثافة الاحتمالية وذلك لمحاكاة عملية إحتراق قطرات الوقود السائل. تم عمل الحسابات الكودية لثلاث حالات مختلفة من حيث نسبة الأوكسوجين فى الغاز المؤكسد: (1) حالة الهواء، ويحتوى الغاز المؤكسد فى تلك الحالة على 21٪ أوكسوجين و 79٪ نيتروجين من حيث الحجم، (2) الحالة OF21 ، ويحتوى الغاز المؤكسد فى تلك الحالة على 21٪ أوكسوجين و 79٪ ثانى أوكسيد كربون من حيث الحجم (3) الحالةOF29 ، ويحتوى الغاز المؤكسد فى تلك الحالة على 29٪ أوكسوجين و 71٪ ثانى أوكسيد كربون من حيث الحجم. تمت دراسة آثار كل من التخفيفات مع ثاني أكسيد الكربون، وحجم القطرات، وتراكم الهباب على انتقال الحرارة وكذلك تم دراسة تأثير الدوامات على خصائص الاحتراق. وقد وجد أن الزيادة في نسبة ثاني أكسيد الكربون في بيئة الإحتراق يقلل من حجم اللهب والحرارة. حدث إنخفاض فى كمية الحرارة المنتقلة عبر الجدران عند الحرق فى بيئة من ثاني أكسيد الكربون بسبب وجود عشوائية فى توزيع الحرارة وضعف عملية نقل الحرارة بالحمل. بالرغم من ذلك، انخفضت فرص تشكل الهباب إلى حد كبير في حالة الحرق فى بيئة من ثاني أكسيد الكربون بالمقارنة مع حالة الحرق فى بيئة من الهواء الجوى. لم يكن حجم القطرات ذا أهمية كبيرة فى الحالة تحت الدراسة، ومع ذلك، فإنه قد وجد تأثير كبير لدوامات الغاز المؤكسد على خلط واحتراق الوقود السائل.

English Abstract

With the ever rising concern of global warming, carbon capture is gaining the reputation of one of the most challenging fields of research. A very promising technology to capture CO2 is oxy-combustion. Oxy-combustion offers several advantages over conventional combustion technologies, such as flue gas volume reduction, high combustion efficiency, low fuel consumption and significant reduction in NOx emissions. Liquid fuel is available and it is the most widely used source of energy in the world. Easy handling and transportation, less storage volume and higher flame temperature are some of the features of liquid fuels which give it an upper hand over other sources. In this study, a computational fluid dynamics model (CFD) for liquid fuel combustion has been developed and validation of the model is performed through comparison with the available experimental data. Then, oxy-combustion of liquid fuel (C5-C6 mixture) in a typical water tube boiler is modelled numerically. Non-premixed model using Probability Density Function is incorporated to simulate the combustion of the liquid fuel droplets. Three cases with different oxidizer compositions have been modelled: (i) Air case (21 % of O2 and 79 % of N2 by volume), (ii) OF21 case (21 % of O2 and 79 % of CO2 by volume) (iii) OF29 (29 % of O2 and 71 % of CO2 ¬by volume). Influence of dilutions with carbon dioxide, droplet size, soot formation and swirl number on the combustion characteristics has been studied. It was found that increase in the percentage of carbon dioxide in the combustion environment results in a reduction in the flame size and temperature. Heat transfer through the walls was also reduced because of non-uniform heat distribution and poor convection heat transfer in the carbon dioxide environment. However, soot formation is greatly reduced in carbon dioxide case in comparison to the air case. Size of the droplets was not of much importance for the case studied, however, swirl in the oxidizer stream enhances mixing and results in better combustion of the liquid fuel.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Habib, Mohamed A.
Committee Members:Badr, Hassan M. and Khaliq, Abdul
ID Code:139435
Deposited By:BINASH IMTEYAZ (g201204400)
Deposited On:20 Jan 2015 09:30
Last Modified:20 Jan 2015 09:30

Repository Staff Only: item control page