Premixed Syngas Combustion: Modeling and Application to a Swirl-Stabilized Combustor. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_Final_FAHAD-Mod.pdf Download (21MB) | Preview

Arabic Abstract

أدت اللوائح الصارمة للحد من انتشار الغازات الضارة والملوثة للبيئة مثل أكاسيد النيتروجين، الى البحث عن بدائل للغاز الطبيعي في انتاج الطاقة. يعتبر غاز الهيدروجين من أهم الغازات البديلة والصديقة للبيئة لأن بخار الماء هو المنبعث الوحيد عند احتراقه. لذلك، فإن لدى الهيدروجين القدرة على أن يصبح الوقود الأساسي نحو مستقبل خال من التلوث إذا تم التغلب على التحديات التقنية التي تواجه استخدام الهيدروجين، والتي تتعلق بتخزينه ونقله وتكلفة انتاجه. و من البدائل الواعدة أيضاً، الغاز الصناعي والذي يتكون بشكل رئيسي من خليط غازي الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. الاحتراق المختلط للغاز الصناعي منخفض نسبة التكافؤ (نسبة تكافؤ الوقود للهواء) يعتبر من التقنيات الواعدة التي تزيد كفاءة الاحتراق وتقلل من انبعاثات الغازات الضارة. درست هذه الرسالة خواص الاحتراق المختلط للغاز الصناعي منخفض نسبة التكافؤ عن طريق استخدام وسائل المحاكاة الرياضية. حيث تم محاكاة اللهب المختلط الرقائقي للغاز الصناعي لفهم خصائصه الاساسية والتي تشمل درجة حرارة اللهب القصوى، وسرعة اللهب الرقائقية، وانبعاثات اكسيد النيتروجين عن طريق حل المعادلات الصفرية والاحادية الابعاد باستخدام نموذج كيميائي معقد (الية GRI 3.0). كما أكدت على أهمية اليات تفاعل الغاز الصناعي وذلك بعد دراسة بعض نماذجه الكيميائية البسيطة المتوفرة ومدى دقتها في تحديد خصائصه الاساسية. اخيراً, تم اجراء محاكاة الاحتراق المختلط للغاز الصناعي منخفض نسبة التكافؤ في غرفة احتراق ثابتة الدوامة باستخدام ديناميكية الموائع الحسابية (CFD) لدراسة تأثير كلاً من: درجة قوة الدوامة، مقدار كمية الهيدروجين في الغاز الصناعي، ونسبة تكافؤ الوقود للهواء على خواص اللهب والانبعاثات. وقد لوحظ أن درجة حرارة اللهب القصوى تزيد بازدياد نسبة التكافؤ وارتفاع كلا من ضغط التشغيل ودرجة حرارة الخليط، وتقل بازدياد كمية الهيدروجين في الغاز الصناعي. أما سرعة اللهب الرقائقية تزيد بازدياد كلا من نسبة التكافؤ وكمية الهيدروجين وارتفاع درجة حرارة الخليط، وتقل بارتفاع ضغط التشغيل. كما ان انبعاثات اكسيد النيتروجين تزيد بارتفاع درجة حرارة الخليط وارتفاع ضغط التشغيل مع ازدياد نسبة التكافؤ، وتقل بازدياد كمية الهيدروجين في الغاز الصناعي وارتفاع ضغط التشغيل مع انخفاض نسبة التكافؤ. وبمقارنة نتائج اليات التفاعل البسيطة مع الية التفاعل المعقدة GRI 3.0 يتضح أن هناك بون شاسع وهو ما يدعو إلى تطوير نماذج كيميائية بسيطة قادرة على تحديد خصائص احتراق الغاز الصناعي بشكل دقيق خاصة عند درجات حرارة مرتفعة للخليط وضغط تشغيل مرتفع. كما ان هناك نقص في التجارب المعملية لسرعة اللهب الرقائقية باستخدام الهواء كمؤكسد عند ضغط تشغيل مرتفع، والتي ستساعد في معرفة مدى دقة النماذج المطورة. كما تبين ان الشكل الهندسي لغرفة الاحتراق ذات الدوامة المستقرة له تأثير بالغ على خصائص اللهب المختلفة. وأن اختلاف اليات الاستقرار بسبب اعادة تدوير الغازات الحارة داخل غرفة الإحتراق تؤدي الى تباين درجات حرارة اللهب. و أن ارتفاع درجة قوة الدوامة يؤدي الى تقصير ألسنة اللهب وزيادة الوقت اللازم لبقاء الغازات الحارة داخل غرفة الاحتراق و كل ذلك يساعد على تقليل انبعاثات اول اكسيد الكربون. من ناحية اخرى، وجد أن قابلية الهيدروجين للاحتراق تزيد من حرارة اللهب ومستويات اكسيد النيتروجين. و ان لنسبة التكافؤ تأثير جوهري على درجة الحرارة والانبعاثات. حيث أن المستويات الغير مرغوب بها من غاز اكسيد النيتروجين أو غاز اول اكسيد الكربون تكون عند نسبة تكافؤ أعلى من 0.6 لغاز اكسيد النيتروجين، و اقل من 0.6 لغاز اول اكسيد الكربون.

English Abstract

The stringent regulations of harmful gases and pollutants, such as nitrogen oxides, lead to the use of alternative fuels in order to lower these emissions. Hydrogen is one of the cleanest fuels. When burnt with oxidizer, it produces water and no other harmful emissions. Thus, it has the potential to become a major contributor to a near-zero emission future. However, currently, technology limitations, mostly associated with storage and transportation, limit its use in a wide range. A very promising alternative is synthetic gas (syngas), which is composed mainly of hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO). Lean premixed (LPM) combustion of syngas can be one of the most promising technologies for increased combustion efficiency and reduced emissions. In this thesis, LPM syngas combustion characteristics have been studied numerically. LPM syngas laminar flames are modeled in zero- and one-dimensional forms using a detailed chemistry model (GRI-Mech. 3.0) to understand their most important basic properties, namely adiabatic flame temperature, laminar flame speed, and NO emissions. An emphasis has been given to the importance of syngas reaction mechanisms by studying some of the available reduced chemical mechanisms and how accurate they are in predicting the basic properties of LPM syngas laminar flames studied. Finally, LPM syngas combustion in a real geometry lab-scale swirl-stabilized combustor is modeled using computational fluid dynamics (CFD) to study the effect of swirl number, syngas composition, and equivalence ratio on flame characteristics and emissions. The adiabatic flame temperature of syngas was observed to increase with equivalence ratio, operating pressure, and preheat temperature, and decrease with hydrogen volume percent in syngas. The laminar flame speed increased with increasing equivalence ratio, hydrogen content in the syngas and preheat temperature, and decreased with increasing operating pressure. The NO production was also observed to increase with increasing equivalence ratio and preheat temperature. However, it decreased with increasing hydrogen in the syngas mixture. As the operating pressure increased, NO formation decreased at low equivalence ratios, and increased at high equivalence ratio. At very lean conditions, the NO predictions by the GRI-Mech. 3.0 were highly under-predicted by the reduced mechanisms. Different combination of these factors resulted in varying degree of discrepancy by the mechanisms understudy. It can be concluded that there is a need for developing more robust chemical mechanisms that could predict LPM syngas flames properties, especially at high preheat temperatures and operating pressures. In addition, experimental data for the effect of pressure on H2/CO laminar flame speeds with air (O2+N2) as the oxidizer is required and will be helpful for validating the developed kinetic models for syngas oxidation at high pressures. For the swirl-stabilized flames, the swirl geometry was found to have a significant effect on the different flame properties. The different strength levels of gases recirculation resulted in different values of flame temperature. The flame was found to be shorter for high swirl numbers. This gave higher residence time of combustion products, which reduced CO emissions. On the other hand, the higher capability of hydrogen to ignite and burn increased the flame temperature and NOX levels locally. Increasing H2/CO ratio resulted in higher flame temperatures, shorter flame lengths, and weaker reverse flow associated with the inner recirculation zones. In addition, upstream flame propagation (flashback phenomenon) occurred beyond H2 = 50%. Higher NOX emissions and lower CO and CO2 emissions resulted from increasing H2/CO ratio. The equivalence ratio was found to have the most significant influence on flame temperature and emissions. Undesirable levels of NO were observed for equivalence ratios beyond φ=0.6, while undesirable levels of CO were recorded for equivalence ratios below φ=0.6. Moreover, increasing equivalence ratio caused CO2 emissions to increase.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	HABIB, MOHAMED A M
Committee Co-Advisor:	MOKHEIMER, ESMAIL M A
Committee Members:	BEN-MANSOUR, RACHED and GHONIEM, AHMED F and ANTAR, MOHAMED A
Depositing User:	ALZAHRANI MOHAMMED (g200523170)
Date Deposited:	24 Nov 2014 05:45
Last Modified:	01 Nov 2019 15:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139378