OXYCOMBUSTION OF SYNTHETIC GAS IN AN OXYGEN TRANSPORT REACTOR (OTR). Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Complete_Thesis_Report.pdf Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

استخدمت البشرية الوقود الاحفوري لتلبية الطلب على الطاقة ويوفر الوقود الاحفوري جزءا كبير جدا من الطاقة في العالم. يحتوي استخدام الوقود الاحفوري على بعض الاثار السلبية التى تشمل انبعاثات ثاني اكسيد الكربون. يعتبر احتراق الوقود بالأوكسجين تقنية واعدة جدا مقارنة مع الطرق الاخرى لاحتجاز الكربون. بحيث يكون فيها الاحتراق مع الاوكسجين فقط مما يؤدي الى غاز عادم يحتوي على ثانى أكسيد الكربون و بخار الماء. يمكن فصل بخار الماء بسهولة باستخدام ألتكثيف وهي عملية تبريد بسيطة. لتجنب عقوبات الطاقة المرتبطة بفصل الهواء ألبارد تم تحقيق فصل الأكسجين باستخدام مفاعل نقل الأكسجين بواسطة غشاء ايوني خلط كثيف و مسامي. يقدم العمل الحالي دراسة لإمكانية تخلل غشاء LSCF-6428 باستخدام غاز نشت غاز صناعي الذي يضم أول أكسيد الكربون الهيدروجين. يستخدم العمل الحالي يستخدم الغاز الصناعي المتولد من الطاقة الشمسية الحرارية من اعادة تكوين الميثان ثم حرق الغاز الصناعي في مفاعل نقل الأكسجين (OTR). أجريت حسابات الموائع الحركية حاسوبيا (CFD) باستخدام برنامج FLUENT 14.0, حيث تم كتابة UDF التي تمكن من نقل الأكسجين من منطقة التغذية إلى منطقة الازالة بلغة ++ C، ثم تم تجميعها ودمجها إلى برنامج FLUENT. وتم استخدام نموذجين لدراسة خصائص الحرق بواسطة الاوكسجين للغاز ألصناعي والتي هي بمثابة الوقود بالإضافة إلى ثانى أكسيد الكربون في ألمفاعل بوصفه مخفف. النموذج الأول هو نفاذية (UDF) في حين أن النموذج الثاني هو لحركية التفاعل للغاز الصناعي. تم التحقق من صحة نماذج نفاذية الأكسجين وحركية التفاعل بمقارنتها مع البيانات التجريبية المتاحة في نفس ألظروف وهناك تشابه جيد جدا بين النتائج العددية والبيانات التجريبية المسجلة. يخدم جدار انتقائية كغشاء (ITM) كثيف غير قابل للاختراق ويفصل بين المنطقتين الحسابيتين المعتبرتين في هذه ألدراسة وهما منطقة التغذية ومنطقة الازالة. يبدأ ظهور تخلل الأكسجين من المنطقة عالية الضغط الجزئي الى المنطقة منخفضة الضغط الجزئي. يتأثر أداء الغشاء بدرجات الحرارة ومعدلات تدفق الغاز والاختلاف في الضغط الجزئي للأكسجين عبر الغشاء. وبالنظر إلى ظروف التدفق ألنشط تم دراسة تأثيرات درجة الحرارة الداخلة وتدوير ثانى أكسيد الكربون و احتراق الوقود وتدفق الغاز المطرود على نفاذ الأكسجين ودرجة حرارة احتراقه. وأظهرت المقارنة بين الحالة النشطة والغير نشطة أن في الحالة النشطة احتمالية تخلل الاكسجين اكبر بحوالي أربعة أضعاف من الحالة غير النشطة. وتبين أيضا أن زيادة درجة الحرارة في المدخل و تركيز الوقود الداخل و تركيز الهيدروجين الداخل و معدل تدفق الازالة يؤدي الى ارتفاع درجة حرارة الاحتراق وتحسين تدفق تخلل الأوكسجين.

English Abstract

Fossil fuels are used by mankind to satisfy energy demands and they provide very significant fraction of the world energy. The use of fossil fuels involves some adverse effects which include the emission of CO2. Oxyfuel combustion is a very promising technology compared to other carbon capture methods. It involves combustion with only oxygen, resulting in exhaust gas that comprises CO2 and H2O. H2O can be easily separated using condensation, which is a simple cooling process. To avoid the energy penalties associated with cryogenic air separation, oxygen separation is achieved with the use of oxygen transport reactor with dense, nonporous, mixed ionic-conducting membrane. The present work provides a study of the permeation potential of LSCF-6428 membrane with a reactive gas, syngas, which comprises CO and H2. The present work utilizes syngas generated from solar thermal reforming of methane and then burn the syngas in an Oxygen Transport Reactor (OTR). Computational Fluid Dynamic (CFD) calculations were performed using FLUENT 14.0 software, where UDF that enables the transfer of oxygen from the feed to the sweep zone was written in C++, then compiled and hooked to the FLUENT software. Two models were utilized to study the oxycombustion characteristics of synthetic gas, which serves as the fuel in addition to CO2 in the reactor, serving as the diluent. The first model is for the permeation (UDF) while the second model is for the syngas reaction kinetics. The models of oxygen permeation and reaction kinetics have been validated against the available experimental data under similar oxycombustion conditions, and there are very good agreements between the numerical results and recorded experimental data. A selective wall serves as the dense, non-porous membrane (ITM), and it separates the two computational zones considered in this work, the feed and sweep zones. Permeation of oxygen appears from region of higher partial pressure to region of lower partial pressure. The performance of the membrane is affected by temperature, gas flow rates and the differences in partial pressures of oxygen across the membrane. Considering reactive flow conditions, the effects of inlet temperature, CO2 circulation, fuel composition and sweep gas flux on oxygen permeation and combustion temperature are studied. Comparison between the reactive and non-reactive case showed that the reactive has more oxygen permeation potential than the non-reactive case, with flux of about four times the non-reactive case. It was also found that increase in inlet temperature, inlet fuel concentration, inlet hydrogen concentration and sweep flow rate result in high combustion temperature and improved oxygen permeation flux.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Habib, Mohamed
Committee Members:	Mokheimer, Esmail and Ben-Mansour, Rached
Depositing User:	SHAKIRUDEE ALADE SALAUDEEN (g201303450)
Date Deposited:	05 Jan 2016 05:06
Last Modified:	01 Nov 2019 16:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139815