EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION INTO THE OXY-COMBUSTION CHARACTERISTICS OF PROPANE IN A SWIRL-STABILIZED, NON-PREMIXED COMBUSTOR

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION INTO THE OXY-COMBUSTION CHARACTERISTICS OF PROPANE IN A SWIRL-STABILIZED, NON-PREMIXED COMBUSTOR. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (Thesis)
PhD_Dissertation_Zubairu__Final_Copy_Including_Signature.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 23 August 2021.

Download (5MB)

Arabic Abstract

واحدة من أكثر الوسائل الموصى بها على نطاق واسع لمعالجة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون هي تقنية التقاط الكربون ، والتي تشمل ااحتراق الوقود بالأكسجين. يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون المعاد تدويره من غازات المداخن كمخاليط مؤكسدة مكونة من الاكسجين وثاني أكسيد الكربون في احتراق الوقود بالاكسجين لتخفيف درجات الحرارة المرتفعة. يؤثر ثاني أكسيد الكربون الموجود في المؤكسد المكون من الأكسجين وثاني اكسيد الكربون على خصائص الاحتراق. في هذه الرسالة ، تم دراسة خصائص احتراق البروبان والاكسجين مخفف بثاني أكسيد الكربون في احتراق غير ممزوج مسبقا ومستقر باستخدام دوامة على نطاق واسع من ظروف التشغيل. تمت مقارنة احتراق الهواء في المعمل بمزيج من خليط الأكسجين ، وهما المؤكسد الأول والثاني ، من حيث حدود الاحتراق الغير غني بالوقود. تشير النتائج إلى أنه بالنسبة للمخاليط الغير غنيه بالوقود ، تنتقل شعلة احتراق البروبان بالهواء من اللهب المتصل إلى شعلة مرفوعة قبل انطفاء اللهب. هذا يتعارض مع لهب المؤكسد الاول والثاني الذي ينتقل مباشرة من اللهب إلى منطقة انعدام اللهب في جميع معدلات الاحتراق التي تمت دراستها. ولكن بالقرب من كمية الهواء والوقود المطلوبة لاحداث احتراق كامل ، تعرض لهب الوقود بالأكسجين المخفف بثاني أكسيد الكربون لتغيرات مميزة ، بما في ذلك الزيادة قبل الاشتعال بمعدلات احتراق عالية. هذا التحول في اللهب قبل الاشتعال لوحظ أنه يكون ناجم عن التدفق. انطلاق اللهب تحت تخفيف ثاني أكسيد الكربون نتيجة كل من التأثير الكيميائي لمخفف ثاني أكسيد الكربون (تقليل سرعة اللهب ورفع الحرارة) ، وكذلك الضغط الذي يفرضه التدفق على الشعلة عند مستويات تخفيف عالية. لوحظ أن كمية ثاني أكسيد الكربون في المؤكسد عند الانفجار تنخفض بشكل كبير حيث تنخفض نسبة التكافؤ من 0.9 إلى 1. مما يدل على ثبات اللهب المعزز في ظروف العناصر المتكافئة تحت تخفيف ثاني أكسيد الكربون. كشفت دراسات أخرى أن لهب احتراق الوقود بالأوكسيجين أكثر استقرارًا عند الدوامة عند 1.0 مقارنةً بـ 0.6 و 1.5. وقد لوحظت تحولات اللهب مع تخفيف ثاني أكسيد الكربون على أساس النتائج العددية كنتيجة لتفاعل وقود الدوامي النفاث وأنه يمكن استخدام هذا التفاعل في توصيف هياكل للهب الكبيرة والمثبتة في دوامة و غير ممزوجة مسبقا . تم الحصول على لهب يشبه النفاثة عند نسبة تخفيف صفر من ثاني أكسيد الكربون بينما تم الحصول على لهب على شكل V بتركيزات أعلى من ثاني أكسيد الكربون. كما تم العثور على ألسنة اللهب النفاثة التي تم الحصول عليها بمستويات تخفيف منخفضة لها نفس قوة دوامة 0.2. و يتزامن انتقال اللهب مع زيادة مفاجئة في قيمة قوة دوامة من 0.2 إلى حوالي 0.3 واستمرت في الزيادة الخطية مع زيادة مستوى التخفيف من ثاني أكسيد الكربون. يرتبط التغير في البنية الأساسية للهب مع تكسر الدوامة وتشكيل منطقة إعادة الدوران الداخلية التي تحدث عند التخفيف العالي لثاني أكسيد الكربون لأن اندفاع الوقود يفشل في اختراق الدوامة التي تم إنشاؤها. لوحظ عدم استقرار الاحتراق الناجم عن تكسر الدوامة الذي يتميز بصوت عالي السعة يحدث عند مستوى التخفيف من ثاني أكسيد الكربون بنسبة 45٪ والذي يتزامن مع انتقال اللهب من شكل يشبه النفاث إلى شكل V الناتج عن فصل التدفق الذي يؤدي إلى تكوين IRZ. في أعقاب هذه البداية ، زادت حالة عدم الاستقرار عند مستوى التخفيف 50 ٪ من ثاني أكسيد الكربون بسبب الاقتران بين إطلاق الحرارة وتقلبات الضغط. يكون وضع الاحتراق النشط عند تردد 465 هرتز ولوحظ حد السعة للدورة عند تركيز 60٪ من ثاني أكسيد الكربون ، وبعد ذلك تنخفض السعة الصوتية بسبب التخميد. يزداد انبعاث اول أكسيد الكربون مع تخفيف ثاني أكسيد الكربون نتيجة للتأثير المشترك للتبريد ، ووقت التشغيل المنخفض ، وتفكك ثاني أكسيد الكربون ، حتى بداية مستوى التخفيف من ثاني أكسيد الكربون بنسبة 50٪ ، والذي يتناقص بعده جزئيًا بسبب الانخفاض الحاد في تفكك ثاني أكسيد الكربون الذي يعزى بشكل رئيسي إلى تأثير التبريد. أيضا ، عند مستوي تخفيف لثاني اكسيد الكربون اكبر من 50 ٪ يكون اللهب على شكل حرف V والتي يتميز بالاختلاط النشط. كما تؤدي زيادة تركيز الهيدروجين من 0 إلى 30٪ إلى تمديد حدود الاشتعال في لهب الوقود بالاكسجين المخفف بنسبة 2.5٪ بثاني اكسيد الكربون وتقليل السعة الصوتية. ومع ذلك ، وجد أن زيادة الهيدروجين يزيد اول أكسيد الكربون مع تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون نتيجة انخفاض وقت التشغيل والتنافس على الأكسجين بين أنواع الوقود. يؤدي خفض نسبة التكافؤ من 1.03 إلى 0.93 أيضًا إلى انخفاض كبير في انبعاثات أول أكسيد الكربون من 8000 جزء في المليون إلى أقل من جزء في المليون مصحوبًا بزيادة في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك ، فإن الشعلات تظهر ثباتًا أفضل عند نسب تكافؤ أعلى.

English Abstract

One of the most widely recommended means of tackling CO2 emission is the carbon capture technique, which includes oxyfuel combustion. Recycled CO2 from flue gases can be employed as a diluent forming O2/CO2 oxidizer mixtures in oxyfuel combustion to mitigate its characteristically excessive temperatures. The CO2 in the O2/CO2 oxyfuel oxidizer affects the combustion characteristics. In this dissertation, the characteristics of C3H8-oxyfuel combustion with CO2 dilution are studied in a non-premixed, swirl-stabilized combustor over a wide range of operating conditions. Air combustion was compared experimentally to two oxyfuel mixtures, namely, oxyfuel I and II, in terms of lean blowout limits. Results show that, for lean mixtures, the C3H8-air flame transits from the attached flame to lifted flame before subsequent flame extinction. This is contrary to oxyfuel I and II flames that transit directly from an attached flame to no flame regime at all firing rates studied. Near stoichiometry, however, the oxyfuel flames with CO2 dilution display distinct flame transitions, including liftup before blowout at high firing rates. These flame transitions before blowout were observed to be flow-induced. Flame blowout under CO2 dilution is found to be induced by both the chemical effect of CO2 diluent (decreasing the flame speed and taking away heat), as well as strain imposed by the flow on the flame at high dilution levels. The amount of CO2 in the oxidizer at blowout was observed to decrease significantly as the equivalence ratio decreases from 1 to 0.9, signifying enhanced flame stability at stoichiometric conditions under CO2 diluent influence. Further studies revealed that the oxyfuel flames are more stable at the swirl number of 1.0 when compared to 0.6 and 1.5. The flame transitions with CO2 dilution were observed based on numerical results to be a consequence of fuel jet-vortex interaction and that this interaction can be employed in the characterization of swirl-stabilized, non-premixed flame macrostructures. Jet-like flames were obtained at zero and low CO2 dilution while V-shaped flames were obtained at higher CO2 concentrations. The jet-like flames obtained at low dilution levels were found to have the same non-dimensional vortex strength of 0.2. Also, the flame transition coincides with a sudden increase in the vortex strength value from 0.2 to about 0.3 and continued to increase linearly with increase in CO2 dilution level. The change in the flame’s macrostructure is associated with vortex breakdown and the formation of an inner recirculation zone occurring at high CO2 dilution as the fuel jet fails to penetrate the created vortex. Vortex-breakdown-induced combustion instability characterized by high amplitude sound was observed to occur at the CO2 dilution level of 45% which coincides with the flame transition from jet-like to V-shaped resulting from flow separation leading to the formation of IRZ. In the aftermath of this onset, the instability amplified at 50% CO2 dilution level due to a coupling between heat release and pressure fluctuations. The combustor mode excited is at the frequency of 465 Hz and the limit cycle amplitude was observed at 60 % CO2 concentration after which the acoustic amplitude decreases due to damping. The CO emission increases with CO2 dilution due to the combined effect of cooling, low residence time, and CO2 dissociation, up to the threshold of 50% CO2 dilution level, beyond which it decreases due partly to a drastic decrease in CO2 dissociation that is attributed mainly to the cooling effect. Also, flames beyond 50% CO2 dilution are V-shaped characterized by enhanced mixing. Increasing the H2 concentration from 0 to 30% extends the blowout limits of the CO2 diluted oxyfuel flames by 2.5% and lower the acoustic amplitude. Hydrogen enrichment, however, was found to increase CO while lowering CO2 emission as a consequence of the low residence time and competition for oxygen between the fuel species. Decreasing the equivalence ratio from 1.03 to 0.93 also leads to a significant reduction in CO emission from 8000 ppm to <1 ppm accompanied by an increase in O2 emission. The flames, however, display better stability at higher equivalence ratios.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Mechanical
Department: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Mokheimer, Dr. Esmail M. A.
Committee Members: Ghoniem, Dr. Ahmed F. and Habib, Dr. Mohamed A. and Al-Qutub, Dr. Amro Mohammad and Mansour, Dr. Rached Ben
Depositing User: ZUBAIRU ABUBAKAR (g201403880)
Date Deposited: 23 Aug 2020 10:55
Last Modified: 23 Aug 2020 10:55
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141702