NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF AN OXY-COMBUSTION CARBON FREE POWER GENERATION SYSTEM

NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF AN OXY-COMBUSTION CARBON FREE POWER GENERATION SYSTEM. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
G201204400.pdf
Restricted to Repository staff only until 17 December 2020.

Download (10MB)

Arabic Abstract

أدى خطر الاحتباس الحراري إلى إثارة ضجة في عالم الأبحاث، مع رواد من جميع أنحاء العالم، يشاركون في السباق لتخفيف انبعاثات الكربون في البيئة. يعد حرق الوقود بالأكسجين من أكثر التقنيات الواعدة والفعالة لاحتجاز الكربون نظرًا لخصائصه التي تشبه احتراق الهواء ويمكن إعادة تركيبه بسهولة في المصانع الحالية مع تعديلات طفيفة. تقترح هذه الدراسة نظامًا لتوليد الطاقة خالٍ من الكربون، استنادًا إلى تقنية احتراق الأكسجين بمساعدة مفاعل غشاء النقل الأيوني (ITM). أولاً، تم إجراء تحليل مفصل للديناميكا الحرارية للنظام لتقييم أداء وكفاءة النظام بناءً على القانون الأول والثاني للديناميكا الحرارية. يتم التحقيق في دورتين أساسيتين للاحتراق بالأكسجين في ظل ظروف الاحتراق المخلوط وغير المخلوط وتتم مقارنة النتائج فيما يتعلق بتدمير الطاقة وفعالية القانون الأول والثاني. يتم استخدام وحدة فصل الهواء (ASU) لفصل الأكسجين عن الهواء المغذي في دورة الاحتراق مسبقة الخلط، ومفاعلات ITM لفصل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون، حيث يحدث فصل الأكسجين وعملية الحرق بالأكسجين في نفس الموقع داخل المفاعل، في الدورة غير مسبقة الخلط. تم اختيار دورة التوربينات الغازية، التي تعمل على احتراق الميثان بالهواء التقليدي، كحالة دراسة أساسية للمقارنة مع باقي الحلات. بعد ذلك، تم إجراء التحقيقات التجريبية حول سلوك الاحتراق وتحديد خريطة ثبات لهب الميثان والأكسجين المخلوط مسبقا والمخصب بالهيدروجين داخل نموذج توربين غازي. يتم تسجيل حدود الثبات الاستاتيكي، من حيث انعكاس اللهب الخلفي وخروج اللهب، على مدى من نسبة الهيدروجين (HF) عند نسبة أكسجين ثابتة (OF) بنسبة 30% وسرعة مجمعة ثابتة عند المدخل تبلغ 5.2 م/ث، وتم المقارنة مع حالة الخليط غير المخصب (HF=0%). يتم أيضًا تسجيل حدود الثبات الاستاتيكي لسرعات دخول مختلفة (4.4، 5.2، و 6 م/ث) وتتم مقارنة النتائج لاستكشاف تأثير ديناميكا التدفق على حدود قابلية التشغيل للهب المخصب بالهيدروجين. يتم تقديم خرائط الثبات كدالة في نسبة التكافؤ ( من 0.3 إلى 1.0) ونسبة الهيدروجين (من 0٪ إلى 75٪) المرسومة على معالم درجة حرارة اللهب القصوى (AFT) وكثافة القدرة (PD) ورقم رينولد عند المدخل (Re) ومعدل تدفق الكتلة الخليط المتفاعل ( ) لفهم الفيزياء وراء انعكاس اللهب الخلفي وظاهرة خروج اللهب. يتم تسجيل أشكال اللهب باستخدام كاميرا عالية السرعة ومقارنتها عند سرعات مدخل مختلفة لاستكشاف آثار إثراء الهيدروجين ونسبة التكافؤ على استقرار اللهب. يتم تحديد نسبة التكافؤ عند انتقال استقرار اللهب من طبقة القص الداخلية (ISL) إلى منطقة إعادة الدوران الخارجي (ORZ) عند سرعات مدخل مختلفة. انخفضت قيمة نسبة التكافؤ التي يحدث عندها هذا الانتقال مع زيادة سرعة الدخول. تم مقارنة أشكال اللهب بالقرب من حد انعكاس اللهب الخلفى، وكذلك بالقرب من حد خروج اللهب، لاستكشاف آليات انقراض اللهب. تم مقارنة أشكال اللهب عند درجة حرارة لهب قصوى ثابتة، وسرعة مدخل ثابتة ومعدل ثابت لتدوير التدفق وذلك لعزل آثارها والتحقيق في تأثير معدلات التفاعلات على استقرار اللهب. أخيرًا، أجريت دراسة عددية حول خصائص الاحتراق في لهب الأكسجين مسبق الخليط في احتراق مثبت الدوامة لبحث تأثير تخصيب الهيدروجين في لهب الميثان. تم تطبيق منهجية حسابات الدوامات الكبيرة (LES) لدراسة ألسنة اللهب المضطرب والمخلوط مسبقا داخل نموذج توربين غازي. أشارت النتائج إلى أنه مع تخصيب الهيدروجين، يتميز الاحتراق بنيران مستقرة دوامياً على شكل حرف V وذات منطقة إعادة تدوير داخلية قوية. تم تحسين معدلات التفاعل، وتميل النيران إلى أن تكون أكثر إحكاما وكثافة مع زيادة نسبة الهيدروجين، حتى يتم ملاحظة ارتجاع اللهب. علاوة على ذلك، فإن تخصيب الهيدروجين يزيد من معدل الإجهاد الحرج ويقلل من إمكانية إخماد اللهب. تتميز نيران اللهب ذات نسبة الهيدروجين العالي أيضًا بعدد دامكولار عالي وعدد كارلوفيتز منخفض، مما يشير إلى أن سماكة اللهب أصغر من أصغر دوامة موجودة في التدفق. وبالتالي، يكون اللهب معتمداً على معدل التفاعل الكيميائي ويكون اضطراب السريان غير قادر على تغيير هيكل اللهب الداخلي. كما تم عرض تأثير نسب التكافؤ ورقم رينولد ورقم الدوامة على هيكل اللهب وخصائص الاحتراق ومناقشتها بالتفصيل.

English Abstract

This study proposes a carbon-free power generation system, based on oxy-combustion technology aided with ion transport membrane (ITM) reactor. Firstly, a detailed thermodynamic analysis of the system has been conducted to evaluate the performance and efficiency of the system based on the first and second law of thermodynamics. Two basic oxy-combustion cycles are investigated under premixed and non-premixed combustion conditions and the results are compared in terms of exergy destruction, and the first and the second law efficiencies. An air separation unit (ASU) is used for oxygen separation from feeding air in the premixed combustion cycle. In the non-premixed cycle, CO2/H2O splitting ITM reactors are used, where oxygen separation and in situ oxy-combustion processes occur within the reactor. A gas turbine cycle, working on conventional air combustion of methane, was selected as the base case for the comparative study. For the two basic oxy-combustion cycles, losses in the air ASU and the condenser were identified to be the main reason for lower efficiencies and, hence, the systems were modified to include heat recuperation cycles for better performance. Two new systems with modified oxy-combustion cycle designs were proposed. First law and second law efficiency of the modified premixed cycle was found to be 42.3% and 52.8%, respectively, as compared to 42.7% and 48.7%, respectively, for the reference air-combustion cycle. The overall thermal and second law efficiency of the modified non-premixed cycle was found to be 37.8% & 50.4%, respectively. Keeping in mind the effect of hydrogen enrichment on the reaction rate and flame behavior, a priori explorations on its effect on the thermodynamic efficiencies of the oxy-combustion cycles were conducted. It was observed that increasing hydrogen fraction in the fuel blend increases the first and second efficiency, however, the effect was only marginal. The experimental investigations on the combustion behavior and determination of the stability map of turbulent premixed H2-enriched oxy-methane flames in a model gas turbine combustor were conducted. Static stability limits, in terms of flashback and blow-out limits, are recorded over a range of hydrogen fraction (HF) at fixed oxygen fraction (OF) of 30% and fixed inlet bulk velocity of 5.2 m/s, and the results are compared with the non-enriched case (HF=0%). The static stability limits are also recorded for different inlet bulk velocity (4.4, 5.2, and 6 m/s) and the results are compared to explore the effect of flow dynamics on operability limits of H2-enriched flames. The stability maps are presented as a function of equivalence ratio (0.3 to 1.0) and HF (0% to 75%) plotted on the contours of adiabatic flame temperature (AFT), power density (PD), inlet Reynolds number (Re) and reacting mixture mass flow rate ( ) to understand the physics behind flashback and blow-out phenomena. Flame shapes are recorded using a high-speed camera and compared for different inlet velocities to explore the effects of H2-enrichment and equivalence ratio on flame stability. The equivalence ratio at which a transition of flame stabilization from the inner shear layer (ISL) to the outer recirculation zone (ORZ) occurs is determined for different inlet bulk velocities. The value of the transition equivalence ratio was observed to reduce while increasing the inlet bulk velocity. Flame shapes near flashback limit, as well as near blow-out limit, are compared to explore the mechanisms of flame extinction. Flame shapes are compared at fixed adiabatic flame temperature, fixed inlet velocity, and fixed flow swirl to isolate their effects and investigate the effect of kinetic rates on flame stability. It was found that the hydrogen enrichment augmented the operability window and increased the stability of oxy-flames. Finally, a numerical study on the combustion characteristics of a premixed oxy-flame in a swirl-stabilized combustor was conducted to investigate the effect of hydrogen enrichment in methane flames. Large Eddy Simulation (LES) methodology was implemented to model the premixed turbulent flames in the model gas turbine combustor. The results indicated that with the hydrogen enrichment, the combustion is characterized by the typical V-shape swirl stabilized flames with strong inner recirculation zones. Reaction rates are enhanced, and the flames tend to be more compact and intense with the increase in hydrogen percentage until the flashback is observed. Moreover, the hydrogen enrichment increases the critical rate of strain and diminishes the possibility of flame quenching. Higher hydrogen fraction flames are also characterized by higher Damkohler number (>1000) and lower Karlovitz number (<1), indicating that the flame thickness is smaller than the smallest eddy present in the flow. The reaction is, thus, dominated by the chemical reaction rate and turbulence does not to alter the inner flame structure. The effect of equivalence ratio, Reynolds number and swirl number on the flame structure and combustion characteristics are also presented and discussed in detail.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Engineering
Research
Research > Environment
Research > Engineering
Research > General
Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: HABIB, M A
Committee Members: MOKHEIMER, E and BADR, H M and BEN-MANSOUR, R and IM, HONG G
Depositing User: BINASH IMTEYAZ (g201204400)
Date Deposited: 19 Dec 2019 13:48
Last Modified: 19 Dec 2019 13:48
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141355