EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY OF SYNGAS COMBUSTION. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF sanusi_dissertation.pdf Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

تزايد استهلاك الكهرباء في المملكة العربية السعودية زيادة مستمرة في العقدين الماضيين. ومن المتوقع أن يستمر هذا الاتجاه في زيادة استهلاك الطاقة الكهربية نظرا لزيادة عدد السكان والتصنيع في المملكة. وتعمل معظم محطات توليد الكهرباء في المملكة العربية السعودية في الوقت الراهن بالوقود الأحفوري (النفط والغاز)، علما بأن 46٪ من الطاقة الكهربية المنتجة في المملكة العربية السعودية يتم توليدها باستخدام توربينات الغاز. ولذلك تعمل السلطات السعودية على تلبية متطلبات الطاقة المتزايدة بحلول عام 2020 عن طريق مصادر الطاقة المتجددة. هذا سيوفر النفط والغاز الطبيعي الذي يتم حرقه للتصدير. وتشمل التطبيقات المستهدفة لاستخدام الطاقة الشمسية الوفيرة إنتاج الوقود الغازي المصنع من إعادة تشكيل الميثان (الغاز الطبيعي) باستخدام الطاقة الشمسية والبخار. إن الغاز المصنع المنتج بهذه الطريقة تزيد الطاقة الناتجة عند حرقه بنسبة تصل إلى 30٪ لكل وحدة حجم من غاز الميثان (الغاز الطبيعي) مقارنة بالميثان (الغاز الطبيعي) المستخدم. لكن الغاز المصنع عن طريق الطاقة الشمسية معرض لتغير تركيبه الكيميائي مع تغير الطاقة الشمسية المتاحة. وبالتالي، يصبح الاحتراق المرن للوقود حتمي. وبالتالي، فإن الهدف من هذه الدراسة إجراء تجارب معملية وعددية لدراسة الاحتراق المخلوط مع الهواء وغير المخلوط. و لقد تم في هذه الدراسة تمثيل الغاز المصنع باستخدام خليط من الميثان (CH4) والهيدروجين ( (H2بنسب مختلفة. في الاحتراق غير المخلوط، تم دراسة تأثير نسب خلط الهيدروجين مع غاز الميثان على خصائص الاحتراق والانبعاثات في ظروف تشغيل مختلفة (مدخلات الطاقة من الوقود ونسبة التكافؤ). ولقد وجد أن إضافة 30٪ هيدروجين توسع مدى استقرار نظام الاحتراق بنسبة تقارب ~ 103٪ مع تحقيق الانبعاثات الصفرية لأكاسيد النيتروجين. هذا أمر بالغ الأهمية من أجل منع انبعاثات أكاسيد النيتروجين من محطات الطاقة. وقد تم تجريبيا دراسة الاحتراق المخلوط في نظام احتراق يحتوي على باعث دوامات (swirler) وذلك لإظهار اعتماد عدم الاستقرار الصوت-حراري للهب على نسب الهيدروجين في خليط الوقود الصناعي. وقد لوحظت العلاقة الطردية بين إطلاق النار وتذبذب الضغط الصوتي. وقد لوحظت أشكال مماثلة اللهب عند نفس معدل التمدد (بغض النظر عن نسب خليط CH4 / H2) كما تم التمكن من تمثيل تأثير مجموعة من المتغيرات في نظام الاحتراق بمعامل واحد وهو معدل التمدد مما يمكننا بسهولة من تحديد مدى الاستقرار الديناميكي لنظام الاحتراق يناءا على نوع الوقود. في الجزء الثاني من العمل، قد تم تطوير نموذج عددي والتحقق من صحته بمقارنة درجات الحرارة، بيانات انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين التي تم الحصول عليها الدراسة التجريبية لنظام الاحتراق الغير مخلوط التي تم لإجرائها سابقا. A آلية 2sCM2 .إن أنموذج الاحتراق 2sCM2-المعدل و المقترح في هذه الدراسة، أعطى توقعات جيدة لدرجة حرارة الاحتراق، والأنواع الرئيسية وانبعاثات أكاسيد النيتروجين. كما تظهر النتائج العددية أيضا أنه يوجد نسبة تكافؤ مثالية للاحتراق حيث انبعاثات (أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين) من الاحتراق هي المثلى لتكوين أي وقود معين. كما تم أيضا استخدام النموذج العددي الذي تم تطويره في دراسة احتراق الوقود المصنع في مرجل بخاري سعة 200 ميغاواط مع تغيير نسب وجود (CO / H2) في الوقود المصنع و لقد وجد أن أفضل تركيب للغاز المصنع هو خليط (50% CO: 50% H2). وقد لوحظ أيضا أن انبعاث أكاسيد النيتروجين ينخفض بنحو 30٪ عند زيادة كمية الهواء الزائد من 5٪ إلى 25٪.

English Abstract

The electricity consumption in Saudi Arabia increased continuously in the last two decades. This trend is expected to continue due to increase in population and industrialization. Most of the power plants in Saudi Arabia are currently operated by fossil fuel (oil and gas), with 46 % of its (Saudi Arabia) power generated using gas turbines. The Saudi authority is set to meet its ever increasing power requirement by 2020 via renewable energy sources. This will free up oil and natural gas that are burned cheaply for export. Areas being targeted include the use of abundant solar energy to produce syngas fuel by solar steam methane reforming. The syngas produced, could have increased energy level by up to 30% per unit volume of methane. Syngas produced via solar methane reforming are, however, susceptible to mixture variation. Hence, fuel-flexible combustor becomes imperative. Thus, the aim of this study is to investigate experimentally and numerically two different swirl stabilized combustors: premixed and non-premixed combustor. Different mixtures of methane (CH4) and hydrogen (H2) are used as the characteristic syngas. In non-premixed combustor, the effect of hydrogen enrichment of methane on the combustion characteristics and emissions were studied at different operating conditions (fuel energy inputs and equivalence ratio). The addition of 30% hydrogen extends the lean blow off regime of the combustor by ~103%. The extended lean blow off of hydrogen-enriched methane was explored to achieve zero NOx emission. This is critical towards achieving zero NOx emission power plants (ZEPP). The premixed swirl combustor was experimentally studied to show the dependence of hydrogen on the thermo-acoustic instability. The heat release and the pressure oscillation were observed to be positively coupled, with the instabilities triggered at maximum coupling (θ_qp approaches zero). Similar flame shapes were observed at the same extinction strain rate (irrespective of the CH4/H2 mixture) and linked to the instability in the combustor. The collapse of the overall sound pressure level (OASPL) and phase data with the extinction strain rates suggest that the stability of the combustor and its acoustic foot print for different operating conditions can be encapsulated in a single parameter (extinction strain rate). This implies that the dynamic state (instabilities) of the combustor can be determined for any arbitrary change in fuel. In the second part of the work, a numerical model was developed and validated using the temperature, carbon dioxide and NOx emissions data obtained in the non-premixed combustor. A Modified-2sCM2 mechanism, proposed in this study, gave good predictions of the combustor temperature, major species and NOx emissions. Numerical results further show that there exists an equivalence ratio where the emissions (CO and NOx) from the combustor are optimum for any given fuel composition. The numerical model developed was further used to investigate the combustion of different syngas (CO/H2) compositions in a 200 MW package boiler. Among the tested syngas compositions, 50% CO: 50% H2 syngas had the lowest emissions with the best combustion characteristics. The NOx emission decreased by approximately 30% when the amount of excess air supplied was increased from 5% to 25%.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mokheimer, Esmail M. A.
Committee Co-Advisor:	Habib, Mohamed A.
Committee Members:	Ghoniem, Ahmed F. and Said, Syed A. M. and Al-Qutub, Amro M.
Depositing User:	SANUSI SOFIHULLAHI (g201106450)
Date Deposited:	24 Aug 2015 13:00
Last Modified:	01 Nov 2019 16:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139698