INVESTIGATION OF SYNGAS OXY-COMBUSTION IN A GAS TURBINE MODEL COMBUSTOR. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF My_Thesis.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذه الدراسة، تم إجراء دراسة تجريبية وعددية على نموذج مفاعل توربين غازى تحت الضغط الجوى. تم دراسة عملية الحرق بالأوكسجين للهب انتشارى لوقود الميثان المخصب بالهيدروجين (وقود غاز الميثان المخصب بالهيدروجين لتكوين غاز إصطناعى). تم إجراء دراسة إستقصائية لدراسة خصائص اللهب ودراسة تأثير السريان الدوامى خلال مدى من ظروف التشغيل. تم دراسة آثار نسبة التكافؤ، استهلاك الوقود، وتكوين الخليط المؤكسد على استقرار للهب، وهيكل اللهب، وتوزيعات درجة الحرارة. وقد أجريت الدراسة على مجموعة من نسب التكافؤ 0.55، 0.65 وو 0.75 ومجموعة من تكوين الوقود بنسبة100%CH4/0%H2 إلى 50%CH4/50%H2 وخليط مؤكسد (خليط من الأوكسجين وثانى أكسيد الكربون) من 0.0% حتى حدود إنطفاء اللهب. تم إعتبار درجات مختلفة لمولد الدوامات ذات زوايا ريشة مختلفة بما في ذلك 30o، 45o و 55o والمقابلة لأرقام دوامة تتراوح بين 0.44 و .1.10 تم اجراء الدراسة العددية باستخدام برنامج .ANSYS-Fluent النماذج المستخدمة لدراسة الاضطرابات، والإشعاع، وتوزيع العناصر هى k-ε (القياسي)، و discrete ordinate (تنسيق منفصلة)، و eddy-dissipation-concept (مفهوم تبديد الدوامة) على التوالي. تم استخدام آلية للتفاعلات تضم تفاعلات جونز ويندستيد المعدلة لحالات حرق الميثان بالأوكسجين و آلية تفاعل الهيدروجين لمارينوف وتم دمج تلك التفاعلات مع برنامج ANSYS عن طريق الإدخال فى صورة .CHEMKIN تم اعتبار الحل العددى متقارب عندما تكون بقايا حسابات المعادلات أقل من 10-3 لمعادلات الزخم و 10-6 للمعادلات الآخري. وأظهرت النتائج أن انطفاء اللهب حدث عند مستويات منخفضة جداً من الاوكسجين (20% أو أقل) عند مستوى تخصيب للهيدروجين حوالى 50٪ مما يشير إلى حدود استقرار واسعة عند استخدام الهيدروجين لتخصيب الوقود. من بين القيم المعتبرة تجريبياً من درجة الدوامة، أظهر مولد الدوامات ذات درجة ميل للريشة 30o أدنى مستوى من استقرار اللهب، وأعلى طول لهب، وأعلى درجة حرارة. من ناحية أخرى، فإن مولد الدوامات ذات درجة ميل للريشة 55o أظهر أعلى مستوى من الاستقرار مع طول لهب ودرجة حرارة معتدلين. أظهرت النتائج الرقمية التي تم الحصول عليها اتفاق جيد مع النتائج المعملية. أظهرت النتائج العددية ما يلى: حرق الميثان المخصب بالهيدروجين بالأوكسجين غير قابل للتحقيق عند مستوى 0.95 نسبة تكافؤ بسبب عدم استقرار اللهب، تم تعزيز الاستقرار بشكل كبير نتيجة تشكل منطقة إعادة تدوير داخلية، وكذلك تم تحقيق أداء أفضل لمفاعل التوربين الغازى من خلال استخدام مولد دوامات ذات درجة ميل للريشة 65o.

English Abstract

In this study, an experimental and numerical investigations on atmospheric gas turbine model combustor is presented. The study considers the oxy-combustion process of turbulent diffusion flames for hydrogen-enriched-methane (i.e. H2-enriched-CH4 as syngas fuel). The combustion characteristics of the flames and the effect of swirl angle are investigated over a range of operating conditions. The effects of equivalence ratio, fuel composition, and oxidizer mixture composition on flame stability, flame structure, and temperature distributions are studied. The study was conducted for a range of equivalence ratio of 0.55, 0.65 and 0.75, a range of fuel composition of 100%CH4/0%H2 to 50%CH4/50%H2 and oxidizer mixture (O2 plus CO2) composition range from 0% up to the value of blow-off. Different swirl degrees are considered with different swirl vane angles including 30, 45 and 55 degrees corresponding to swirl numbers ranging from 0.44 to 1.10. The numerical study is achieved using ANSYS Fluent. The models considered for turbulence, radiation, and species transport modeling are k-ε (standard), discrete ordinate (DO), and eddy-dissipation-concept (EDC) respectively. The reaction mechanism, which comprises modified Jones and Lindstedt reaction mechanism for oxy-combustion of CH4 and Marinov reaction mechanism for H2, is imported into ANSYS Fluent through CHEMKIN mechanism import. Pressure discretization is achieved using standard while other partial discretizations were achieved using the second-order upwind method. A SIMPLE scheme is used to handle pressure-velocity coupling and the solutions are considered to be converged when the residuals for the equations were less than 10-3 for momentum equations and 10-6 for others. The results show that flame blow-off occurred at very low oxygen levels in the oxidizer mixture (20%O2 or even less) and at hydrogen enrichment level of 50% which indicates wide stability limits when hydrogen is used for fuel enrichment. Among the experimentally considered values of swirl degree, the swirler with 30 swirl degree showed the lowest level of flame stability, highest flame length, and highest temperature. On the other hand, the swirler with 55 swirl degree exhibited the highest level of stability with moderate flame length and temperature. The numerical results obtained are in good agreement with the experimental result. The numerical results show that oxy-fuel combustion of H2-enriched-CH4 is not achievable at 0.95 equivalence ratio and above due to stability issue. The stability is highly enhanced by the formation of inner recirculation zone and, better performance of gas turbine combustor can be achieved by a swirler with swirl vane angle of 65 degrees.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Said, Syed A. M.
Committee Members:	Habib, Mohammed A. M. and Badr, Hassan M.
Depositing User:	MANSUR ALIYU (g201404960)
Date Deposited:	08 Jun 2016 08:50
Last Modified:	01 Nov 2019 16:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140019