OXY-COMBUSTION OF FOSSIL FUEL IN A SWIRL STABILIZED NON-PREMIXED COMBUSTOR. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Raghib_Thesis.pdf - Accepted Version Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

إن حرق الوقود مع الأكسجين يعتبر تقنية واعدة لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وذلك عن طريق فصله وتخزينه بعد عملية الاحتراق. تم في هذه الرسالة دراسة عملية وعددية لاحتراق غاز الميثان مع الأكسجين - مع حفظ نسب العناصر حسب معادلة الاحتراق الكيميائي – تجريبيا و عن طريق التحليل الرقمي. أجريت التجارب في غرفة احتراق حيث يمزج الوقود مع الأكسجين بعد دخولهما إلى داخل الغرفة. وذلك لدراسة تأثير نسبة ثاني أكسيد الكربون على استقرار اللهب وطوله مع مراعاة اكتمال احتراق الوقود وفقا لمعادلات التفاعل. معدل الاشتعال تم تغييره من 2.5 إلى 4.5 MW/m3-bar. واستخدم نوعين من الوقود (ميثان نقي وخليط من 20% هيدروجين و80% ميثان) خلال التجارب. عندما يتم تشغيل الحارق في ظروف التورببينات الغازية فإن تحولات اللهب تمر بثلاث مراحل. فقد لوحظ أن اللهب يتخذ أشكالا ثلاثة: أولها هو لهب ضعيف يوجد في نهاية فوهة غرفة الاحتراق يتلوه اللهب المتصل (أي الذي لا يلاحظ فيه فجوة بين اللهب والفوهة)، والمرحلة الأخيرة هو اللهب المرتفع الذي يتميز بوجود فجوة بينه وبين فوهة الاحتراق. في هذه الدراسة تم تطوير معادلات رياضية اعتماداً على نتائج التجارب ، و استطاعت هذه المعادلات أن تتوقع أطوال اللهب التي تم قياسها خلال التجارب المعملية بمعدل خطأ لا يزيد على 5 %. إضافة إلى ذلك تم تطوير نموذج رقمي لمحاكاة عملية الاحتراق وتم التحقق من نتائج ذلك النموذج عن طريق القياس التجريبي لدرجات الحرارة على طول نصف قطر غرفة الاحتراق الاسطوانية وذلك لدراسة ديناميكية احتراق الميثان مع الأكسجين بشكل فعال اقتصادياً. النموذج الرقمي شرح العديد من خصائص عملية الاحتراق مثل ديناميكية السريان والتوزيع الحراري وكذلك انبعاثات الاحتراق. لوحظ أن درجة الحرارة القصوى تقل عند زيادة نسبة ثاني أكسيد الكربون في تيار الأكسدة ، و لكن في نفس الوقت تزداد انبعاثات أول أكسيد الكربون بنسبة 650% وذلك من انبعاثات بمقدار 682 جزء في المليون إلى 4958 جزء في المليون. ولكن يمكن تخفيض هذه الانبعاثات إلى 0.3 جزء في المليون بتقليل النسبة المكافئة للاحتراق من 1 إلى 0.98 حيث يساهم الأكسجين الزائد في أكسدة أول أوكسيد الكربون و تحويله إلى ثاني أكسيد الكربون. كما إن زيادة معدلات الطاقة الداخلة إلى الحارق من 4 إلى 5 MW/m3-bar تقلل كذلك من انبعاثات أول أكسيد الكربون بنسبة 51 % وذلك من 4598 جزء في المليون إلى 2248 جزء في المليون حيث تساهم درجات الحرارة العالية في تحقيق احتراق ذو كفاءة عالية يمنع تكون هذا الغاز. وبناء على نتائج هذه الدراسة تم تصميم غرفة احتراق جديدة زادت من كفاءة السريان الدوراني داخل الغرفة.

English Abstract

Oxyfuel combustion, involving combustion of fossil fuel with pure oxygen is a promising technology to reduce the CO2 emissions by capturing and sequestering the CO2 produced by fossil fuel combustion. In the present study, oxy-combustion of methane at stoichiometry is examined experimentally and numerically. Experiments were carried out in a non-premixed combustor to study the flame stability and the flame length variation with varying CO2 composition in the oxidizer mixture at stoichiometry. The firing rate of the combustor was varied between 2.5-4.5 MW/m3-bar. The fuel used was 100% CH4 and 20/80% H2/CH4 mixture. When the combustor was operated under gas turbine conditions (≥3.5 MW/m3-bar), the flame transitions exhibited tri-modal regime below which the flame transitions exhibited bimodal regime. Weak flames at the nozzle exit were generally observed to precede the Attached flame → Lifted flame transition. The predicted flame length, using empirical equations based on the Near-field concept gave a good match within 5% of our experimentally observed flame length. The temperature along the radius of the combustor was measured for validation of numerical models to have further insight into the Oxy-combustion dynamics of methane in a cost-effective way. A numerical model was developed to model the oxyfuel combustion. The developed model gave an insight into the flow dynamics, temperature distribution and the emissions from the combustor. With increase in CO2 percentage in the oxidizer stream the maximum temperature was found to decrease, but the CO emissions were found to increase. At stoichiometry, for energy level of 4 MW/m3-bar, increasing the CO2 composition in the O2/CO2 oxidizer from 0 to 40% led to a temperature reduction of 15.5% from 3292 K to 2782 K. For the same change in CO2 composition, CO emission increased by 650%, from 682 ppm to 4958 ppm. However, for 40% CO2 in the O2/CO2 oxidizer, the CO emission was reduced to 0.3 ppm by bringing down the equivalence ratio from 1 to 0.98. The decrease is attributed to excess O2 which helps in oxidation of CO. At stoichiometry, for 40% CO2 in the O2/CO2 oxidizer, the increase in the energy level of the combustor from 4 to 5 MW/m3-bar, was found to decrease the CO emissions by 51 % from 4598 ppm to 2428 ppm, due to high temperatures inside the combustor which resulted in efficient burning. Based on the numerical study a new combustor head was designed which improved the swirl flow inside the combustor.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mokheimer, Esmail M.A.
Committee Members:	Habib, Mohamed A. and Mansour, Rached Ben
Depositing User:	MOHAMMAD R SHAKEEL (g201406440)
Date Deposited:	20 Jul 2017 13:29
Last Modified:	31 Dec 2020 06:13
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140411