EFFECT OF HYDROGEN ENRICHMENT AND BURNER GEOMETRY ON OXY-METHANE COMBUSTION IN A MICROMIXER MODEL GAS-TURBINE COMBUSTOR

EFFECT OF HYDROGEN ENRICHMENT AND BURNER GEOMETRY ON OXY-METHANE COMBUSTION IN A MICROMIXER MODEL GAS-TURBINE COMBUSTOR. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Muzafar_Thesis_201707030.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 12 August 2021.

Download (11MB)

Arabic Abstract

تبحث هذه الدراسة في تكنولوجیا توربینات غاز میكرومكسیر المستقرة والمرنة بطبیعتها، إلى جانب التخصيب بالهيدروجين، لتقديم موقد وقود أوكسي قادر على تحمل ألسنة اللهب المخففة للغاية للتطبیق في دورات الطاقة ذات الانبعاثات الصفرية، وخاصة دورة . Allam لم يتم من قبل اختبار میكرومكسر التوربینات الغازية تحت ظروف احتراق الوقود با لكسجین، مما يبرز حداثة الدراسة الحالیة . تم قیاس نافذة التشغیل الخاصة بالموقد الحالي بشكل تجريبي على مدى نطاق من نسبه تركیز الهیدروجین في الوقود )2H/4(CH ونسبه تركیز المؤكس د ) 2CO/2(O . لقد وجد أن المايكرو مكسر يوفر ثباتًا فائقًا، مما يسمح بالتشغیل عند نسبة منخفضة لتركیز الكسجین تصل إلى 21 ٪ بالحجم دون إثراء الهیدروجین، وهو ما يفي بمتطلبات التخفیف الاسمیة ) 23 %( من منطقة التفاعل الولیة داخل دورة Allam للاحترا ق . بالمقارنة، لم تستطع الشعلات المستندة إلى دوامة من الدراسات السابقة أن تحافظ على لهیب أوكسي أقل من جزء الكسجین بنسبة 30 ٪ . وجد ان إثراء الوقود بالهیدروجین يؤدى الى تعزيز ثبات اللهب، مما يسمح بتقلیل نسبة الكسجین إلى مستوى قیاسي منخفض بنسبة 13 ٪ في جزء هیدروجین بنسبة 65 ٪ بالحجم . سیؤدي ذلك إلى تسهیل المرونة التشغیلیة في محطة الطاقة، عندما ينخفض جزء ا لكسجین الاسمي إلى أقل من 23 ٪ عند تحمیل الجزاء المنخفضة . أظهرت النتائج أيضًا أن لإثراء الهیدروجین تأثیر ضئیل على درجة حرارة اللهب وكثافة طاقة الاحتراق atm) /3(MW/m مما سیسهل مرونة تشغیلیة إضافیة في ضبط نسبة تركیز الهیدروجین للحفاظ على ثبات اللهب دون التأثیر على درجة حرارة الذروة للدورة أو التأثیر على أداء التوربینات. تم دراسة تأثیر الشكل الهندسي للحارق على خصائص الاحتراق في احتراق التور بینات الغازية في میكرومكسر في ظل ظروف الوقود الكسجین . وقد لوحظ أن حدود الاستقرار الساكن ت تبع على ما يبدو ملامح AFT وهو اكتشاف جديد للحارق متعدد الثقوب . وكانت النتائج في اتفاق جید مع النتائج المتاحة في الدب عن الاحتراق المستقر باستخدام الدوامة . تم التقاط صور اللهب أيضًا للعثور على العلاقة بین المعل مات المختلفة والبنیة الساسیة للهب . لوحظ من التحلیل أن AFT هي المعلمة المسیطرة من حیث البنیة الكلیة للهب . بالنسبة إلى AFT نفسها، عرضت الاشكال الهندسیة الثلاثة جمیعها بنیة أساسیة متطابقة حتى في ظروف التشغیل المختلفة . تم التعرف على آلیة التثبیت الفعالة للحراقات متعددة الفتحات من خلال تصور كیف أن القلیل من الطائرات النفاثة المركزية والراسیة تعمل كطیار لتثبیت النفاثات غیر المضاءة على الحلقات الخارجیة، بینما تقترب من الانطفاء . تم إجراء قیاسات درجة الحرارة الشعاعیة لفحص توزيعات درجة الحرارة نصف القطرية داخل الاحتراق . وقد وجد من التحلیل أنه في نفس الحالة، كان معامل هو المعلمة المسیطرة لتوزيع درجة الحرارة داخل الاحتراق . وقد وجد أيضًا أن زيادة قطر النفاثة مع تباعد أقل من نفاثة إلى نفاثة أدى إلى عامل تعريف أداء محسن مع أقل عواقب على اداء التوربینات .

English Abstract

The present study investigates the inherently stable and flexible micromixer gas-turbine technology, coupled with hydrogen enrichment, to present an oxy-fuel burner that is capable of sustaining highly diluted flames for application in zero-emission power cycles, particularly the Allam cycle. Gas-turbine micromixers have never been tested under oxy-fuel combustion conditions before, which highlights the novelty of the present study. The operability window of the present burner was quantified experimentally over ranges of fuel (CH4/H2) hydrogen fraction and oxidizer (O2/CO2) oxygen fraction. It was found that the micromixer delivers superior stability, allowing for operation at oxygen fractions as low as 21% (by vol.) without hydrogen enrichment, which satisfies the nominal dilution requirements (23%) of the primary reaction zone within the Allam-cycle combustor. By comparison, swirl-based burners from past studies could not sustain oxy-flames below ~30% oxygen fraction. Enriching the fuel with hydrogen was found to boost flame stability, which allowed for reducing the oxygen fraction further down to a record-low value of 13% at a hydrogen fraction of 65% (by vol.). This will facilitate operational flexibility in the power plant, when the nominal oxygen fraction drops below 23% at low part loads. The results also showed that hydrogen enrichment has minimal effect on flame temperature and combustor power density (MW/m3/atm), which will facilitate additional operational flexibility in adjusting the hydrogen fraction to sustain flame stability without influencing the cycle peak temperature or affecting the turbine integrity. The effect of geometry on combustion characteristics of micromixer gas-turbine combustors was also investigated under the oxy-fuel conditions. It was observed that the static stability limits apparently followed the contours of AFT which is a novel finding for multi-hole burners. The results were in good agreement with the results available in literature for swirl-stabilized combustion. Flame images were also captured to find the correlation between different parameters and the flame macrostructure. It was observed from the analysis that AFT is the controlling parameter in terms of flame macrostructure. For same AFT, all three headends exhibited identical macrostructure even at different operating conditions. The effective stabilization mechanism of multi-hole burners was identified by visualizing how few central lit and anchored jets act as a pilot to stabilize unlit jets on outer rings, while approaching blowout. Radial temperature measurements were carried out to examine the radial temperature distributions inside the combustor. It was found from the analysis that at same OF, equivalence ratio was the controlling parameter for temperature distribution inside the combustor. It was also found that increased jet diameter with less jet-to-jet spacing resulted in an enhanced profile factor with least consequences on the turbine.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Habib, Mohammed Abdulaziz Mustafa
Committee Members: Said, Syed Ahmad Mohammad and Abdelhafez, Ahmed Abdelhafez Hasanein
Depositing User: MUZAFAR HUSSAIN (g201707030)
Date Deposited: 13 Aug 2020 11:02
Last Modified: 13 Aug 2020 11:02
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141684