KFUPM ePrints

The Design and Simulation of a Chemical Looping Combustion System

l The Design and Simulation of a Chemical Looping Combustion System. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (Thesis of "The Design and Simulation of a Chemical Looping Combustion System") - Published Version
Restricted to Abstract Only until 04 June 2018.

9Mb

Arabic Abstract

أصبحت ظاهرة الاحتباس الحراري وتغير المناخ الآن الشواغل الرئيسية في جميع أنحاء العالم. إن درجة الحرارة على سطح كوكبنا تتزايد بسبب الانبعاث الهائل لغازات الدفيئة (الغازات المسببه للاحتباس الحراري) بسبب النشاط البشري. ويعتبر النظام المناخي الآن نقطة تحول التي قد تسبب أضرارا كبيرة، كارثية ولا رجعة فيها للنظام البيئي بأكمله. وقد أصبح الحد من انبعاث الغازات الدفيئة موضوعا بحثيا هاما وقضية سياسية دولية. بعد طرح مفهومه، يدرس الباحثون تقنية الاحتراق الكيميائي ((CLC في جميع أنحاء العالم بسبب سماته الجوهرية لإنتاج غازات العادم ذات ثاني أكسيد الكربون (CO2)عالي النقاء. يتم إدخال الجسيمات الناقله للأكسجين كمواد وسيطة في أنظمة الاحتراق الكيميائي. الشكل المخفض (OC)يتفاعل أولا مع الأوكسجين في الهواء داخل مفاعل الهواء وتنتج أوكسيديزد شكل (OC). الشكل المؤكسد (OC) يتم نقله إلى مفاعل الوقود (FR) ويتفاعل مع الحاله الغازية، السائله أو الصلبة للوقود لإنتاج الشكل المخفض من OC. وبهذه الطريقة، تنقسم عمليات الاحتراق التقليدية إلى تفاعلين كيميائيين. وتعتبر تكنولوجيا الاحتراق الكيميائي ((CLC تكنولوجيا واعدة في فصل ثاني أكسيد الكربون مع انخفاض استهلاك الطاقة حيث لا يتم تغذية النيتروجين في مفاعل الوقود. العمل الحالي يوفر النمذجة الرياضية وتنفيذ المحاكاة العددية لأنظمة الاحتراق الكيميائي النموذجية (FR & AR) باستخدام ديناميكا السوائل الحسابيه CFD. يتم التحقق من حركية التفاعل الكيميائي في كل من البيانات (الآوراق البحثيه ذات الصله) المنشورة التجريبية والحسابيه. يتم فحص أنماط التدفق الأساسية وأداء تحويل ناقل الأكسجين داخل مفاعل الوقود و مفاعل الهواء مع أخذ أحجام مختلفه لناقل الآكسجين، مع أخذ موزعات الغاز المختلفة، عند درجات حرارة التشغيل المختلفة وسرعات التغذية السطحية المختلفة. كما يتم اختبار آثار الإشعاع على أداء التدفق والتحويل في إطار بارامترات تشغيل مختلفة. النتائج العددية (الحسابيه) من خلال الدراسة الحالية تشير إلى أن كلا" من معاملات مفاعل الهواء ومفاعل الوقود بين سرعة التغذية السطحية من الطور الغازي والحد الأدنى من سرعة التغذية تحدد بشكل كبير أنماط التدفق. موزعات الغازتعتبر هي المنظمات المسئوله عن توزيع الفقاعات داخل المفاعلات. توزع الفقاعات داخل مفاعل الوقود هي أكثر اتساقا مع Rec-Tri (المستطيل - مثلث) من تغذية الوقود الموزع على مدخل مفاعل الوقود. انتقال الحرارة بالاشعاع له آثار ضئيلة على أنماط التدفق وتوزعات درجات الحرارة على المناطق الكثيفة. ومع ذلك، يلاحظ بان تدرجات درجة الحرارة والحرارة المفقوده على المناطق المتفرقه للمفاعلات هي أعلى من انتقال الحرارة بالإشعاع. وبصفتها سريعا ، يميل كل الاكسجين المنقول داخل مفاعل الهواء إلى التقلب حول قيمة ثابتة بعد المرحلة الأولية. يرتبط أداء تحويل الوقود داخل مفاعل الوقود والآكسجين المنقول داخل مفاعل الهواء بالعديد من البارامترات بما في ذلك مواد ناقل الآكسجين ونوع الوقود ومخزون ناقل الآكسجين وسرعة التغذية السطحية لمرحلة الغاز ودرجة حرارة التشغيل والموزعات واننقال الحرارة بالاشعاع، وما إلى ذلك. وأهم البارامترات التي تؤثر على أداء التحويل هي مواد ناقل الاكسجين ((OC ودرجة حرارة التشغيل.

English Abstract

Global warming and climate change have now become worldwide major concerns. The temperature on the surface of our planet keeps increasing due to the enormous emission of greenhouse gases (GHG) by human activity. Climate system is now considered reaching its tipping point which may cause significant, catastrophic and irreversible damages to the entire ecosystem. Reduction of emission of greenhouse gases has become an important research subject and an international political issue. After its concept was put forward, chemical looping combustion (CLC) technology is studied worldwide by researchers due to its intrinsic characteristic of producing exhaust gases with high purity carbon dioxide (CO2). Oxygen carrier (OC) particles are introduced as an intermediate material in CLC systems. Reduced form OC firstly reacts with oxygen in the air within air reactor (AR) and produces oxidized form OC. Oxidized form OC then is transported into fuel reactor (FR) and reacts with gaseous, liquid or solid forms fuel to produce reduced form OC. In such way, conventional combustion processes are split into two chemical reactions. CLC technology is considered as a promising technology in CO2 separation with lower energy consumption since no nitrogen is fed into the fuel reactor. The present work provides the mathematical modeling and implementation of numerical simulations of typical CLC systems (FR & AR) using the commercial CFD codes. Chemical reaction kinetics are validated against both experimental and numerical published data. Basic flow patterns and conversion performances of OC within FR and AR with different OC size, various gas distributors, different operating temperatures and different superficial feeding velocity are investigated. The effects of radiation on flow and conversion performances are also tested under different operating parameters. Numerical results by the present study indicate that in both AR and FR coefficients between superficial feeding velocity of gas phase and minimum feeding velocity significantly determine the flow patterns. Gas distributors (regulators) on inlet change bubble distributions within reactors. Bubble distributions within FR are more uniform with Rec-Tri (rectangle-triangle) fuel feeding distributor on FR inlet. Radiative heat transfer has insignificant effects on flow patterns and temperature distributions on dense regions. However, temperature gradients and heat loss on sparse regions are higher with radiation heat transfer consider. As a fast bed, inventory of OC within air reactor tend to fluctuate around a fixed value after the initial stage. The conversion performances of fuel within FR and OC within AR are related to many parameters including material of OC, type of fuel, inventory of OC, superficial feeding velocity of the gas phase, operating temperature, distributors and radiative heat transfer, etc. The most significant parameters that affect conversion performances are OC material and operating temperature.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Engineering
Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Ben-Mansour, Rached
Committee Members:Habib, Mohamed A. and Hossain, Mohammead Mozahar
ID Code:140354
Deposited By:HAIXIA LI (g201408220)
Deposited On:04 Jun 2017 11:33
Last Modified:02 Nov 2017 10:19

Repository Staff Only: item control page