OXY-FUEL COMBUSTION ANALYSES OF POROUS AND ITM REACTORS FOR BOILER AND OTHER APPLICATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF (PhD Dissertation)
PhD_Thesis_Final...pdf Download (13MB) | Preview |
Arabic Abstract
يعتبر ثاني أكسيد الكربون هو العنصر الرئيسى فى الغازات الدفيئة المسؤولة عن التغير الحالى للمناخ العالمى. توجد عدة تقنيات للحد من انبعاث ثاني أكسيد الكربون في صناعات المرافق. توفر تكنولوجيا الحرق بالأكسجين لإحتجاز الكربون مستقبلاً أكثر إشراقًا من أجل مجتمع خالي من إنبعاثات الكربون. إن المفهوم الأساسي لتكنولوجيا حرق الوقود بالأكسجين هو استخدام الأكسجين النقي، الذي يتم الحصول عليه عبر تقنيات فصل الهواء، فى عملية الاحتراق بدلاً من الهواء. حاليا، تكتسب تقنية الفصل بالغشاء زخما عاليا بسبب مرونتها للتطبيقات المختلفة. في هذه الدراسة، تم استخدام طريقتين لتطبيق احتراق الميثان بالأكسجين تشمل تطبيقات التوربينات الغازية وغلايات أنابيب الحريق. في النهج الأول ، تم تطوير مفاعل ثنائى الألواح المسامية والمتقابلة وجهاً لوجه لمحاكاة عمليات فصل الأكسجين وحرق الوقود بالأكسجين في مفاعلات الأغشية عالية الحرارة. في النهج الثاني، تم إجراء النمذجة العددية لمفاعل غشاء نقل الأكسجين للتطبيق في غلاية أنبوب الحريق ثنائية المسار. وقد اشتملت الدراسة على تحليلات فصل الأكسجين وخصائص حرق الوقود بالأكسجين من أجل استبدال الموقد الموجود في غلاية أنبوب الحريق بمجموعة من مفاعلات غشاء نقل الأكسجين التي يمكن أن تزود الطاقة في نطاق يتراوح من 1 إلى 5 ميجاوات كهرباء. في كلا النهجين، تم تزويد الميثان، كوقود، بعد خلطه فى سريان واحد مع ثاني أكسيد الكربون، كمخفف، في حين تم تزويد الأكسجين النقي عبر الألواح المسامية (في النهج الأول) وعبر جانب التغذية للغشاء (في النهج الثاني). في كلا النهجين، تم دراسة خصائص السريان وحرق الوقود بالأكسجين على مدى نطاقات واسعة من المؤكسد/المخفف والنسب المتكافئة وكذلك ظروف دخول الغازات. تم دراسة خصائص الاحتراق للمفاعل ثنائى الألواح المسامية تجريبيا وعدديا. أشارت النتائج إلى تكون منطقة خلط محسنة بجانب الحافة الخلفية للوحة المسامية حيث استقر عندها اللهب. تراوحت درجة الحرارة عند الحافة الخلفية للوحة المسامية بين 1130 كلفن (عند نسبة تكافؤ 0.4) إلى 1240 كلفن (عند نسبة تكافؤ 1) والتي تقع ضمن الحد التشغيلي لتشغيل الأغشية السيراميكية عند اسقاط النتائج على حالة استخدام مفاعلات الأغشية عالية الحرارة. تم العثور على الحد الأدنى المسموح من تركيز الأكسجين من أجل الحصول على لهب مرئي حوالى 21% (79% ثانى أكسيد كربون) عند الحالة المتكافئة. يتأثر استقرار اللهب من حيث حد انطفاء اللهب عند الخلط الهزيل بمعدل إحتراق الوقود ونسبة التكافؤ والنسبة المئوية لإضافة ثانى أكسيد الكربون. كشفت النمذجة العددية لمفاعل غشاء فصل الأكسجين ثنائي الممرات، بالنسبة للظروف غير التفاعلية، أن تأثيرات درجة حرارة مدخل الغازات والكتلة المتدفقة على معدل نفاذ الأكسجين على طول الغشاء كانت ضئيلة في نطاق هذه الدراسة. تحدد ظروف دخول الغازات للمفاعل معدل نفاذ الأوكسجين في ظل ظروف التفاعل. العلاقة بين سماكة الغشاء ومعدل نفاذ الأكسجين كانت متناسبة عكسيا تحت كل من الظروف التفاعلية وغير التفاعلية. تتحكم درجة حرارة دخول الغازات وتدفق الكتلة في كمية نقل الحرارة إلى الحمل. كانت حالة دخول غاز الكسح هي أكثر أهمية لاستقرار لهب الاحتراق. وجد أن حالة تشغيل الغلاية المصممة على أساس الحمل الحراري لها تأثير ضئيل على نقل الحرارة عند معدل حرق ثابت للوقود. تلعب الخواص الإشعاعية لمواد مفاعل غشاء فصل الأكسجين دورًا رئيسيًا في نقل الحرارة الكلي إلى الحمل. التصميم الحالي لمفاعل غشاء فصل الأكسجين المقترح يمكن أن يولد ناتج طاقة في المدى من 1 إلى 5 ميجاوات كهرباء.
English Abstract
Carbon dioxide is considered as the major greenhouse gas responsible for the current global climate change. There exist several technologies for reducing the emission of CO2 by capturing it in the utility industries. Oxy-fuel combustion carbon capture technology offers a brighter future for emission-free society. The key concept of oxy-fuel combustion technology is the use of pure oxygen, obtained via air separation technologies, for combustion instead of air. Currently, the membrane separation technology is gaining high momentum due to its flexibility for different applications. In this study, two approaches were employed for the application of the oxy-methane combustion in gas turbine and fire-tube boiler applications. In the first approach, a face-to-face two-porous-plates reactor was developed to mimic the processes of oxygen permeation and oxy-fuel combustion in high-temperature membrane reactors (HTMR). In the second approach, numerical modeling of oxygen transport membrane (OTM) reactor for application in a two-pass fire tube boiler was conducted. It involved the analyses of oxygen permeation and oxy-fuel combustion characteristics to replace the existing fire-tube burner with bundles of OTM reactors that can supply power in the range from 1 to 5 MWe. In both approaches, methane was supplied, as a fuel, after being mixed in a sample stream with CO2, as a diluent, while pure oxygen was supplied across the porous plates (in the first approach) and across the membrane feed side (in the second approach). In both approaches, flow and oxy-fuel combustion characteristics were studied over wide ranges of oxidizer/diluent and equivalent ratios as well as gases inlet conditions. The combustion characteristics of the porous plate reactor were investigated experimentally and numerically. The results indicated enhanced mixing zone created beside the trailing edge of the porous plate and the flame located downstream of the porous plates. The temperature at the trailing edge of the porous plate ranges from 1130 K (at Φ=0.4) to 1240 K (Φ=1.0), which lies within the operating limit of operation of the ceramic membranes when the results are projected on HTMR operation. The minimum limit of %O2 to allow for a visible flame was found to be about 21% (79% CO2) at stoichiometric condition. The combustor stability in terms of lean blow-out limit is affected by the fuel firing rate, equivalence ratio and the percentage of CO2 addition. The numerical modeling of the two-pass OTM reactor revealed that, for the non-reactive conditions, the effects of gases inlet temperature and mass flow rates on oxygen permeation along the length of the membrane were meager within the scope of this study. The gases inlet conditions dictate the rate of oxygen permeation under reactive conditions. The relationship between membrane thickness and O2 permeation was inversely proportional under both reactive and non-reactive conditions. The gases inlet temperature and mass flow rates control the amount of heat transfer to the load (Outer pipe). The sweep gas inlet condition was more critical to the stability of the combustion reaction. The boiler operating condition modeled based on the thermal load has insignificant effect on the heat transfer at fixed fuel firing rate. The radiative properties of the OTM reactor materials plays a major role in the total heat transfer to the load. The current design of the proposed OTM reactor can deliver power output in the range from 1 to 5 MWe.
| Item Type: | Thesis (PhD) |
|---|---|
| Subjects: | Chemistry Environmental Mechanical |
| Department: | College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering |
| Committee Advisor: | Mohamed, A. Habib |
| Committee Members: | Rached, Ben-Mansour and Atia, Khalifa and Esmail, M.A. Mokheimer and Mohamed, El-Gebeily |
| Depositing User: | IBRAHIM MANSIR (g201403860) |
| Date Deposited: | 16 Jan 2019 11:21 |
| Last Modified: | 31 Dec 2020 06:23 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140876 |