EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF PREMIXED OXY COMBUSTION IN A GAS TURBINE MODEL COMBUSTOR ADAPTING MULTI-HOLE BURNER COMBUSTION TECHNOLOGY. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PhD Dissertation - Araoye.pdf Restricted to Repository staff only until 31 August 2022. Download (4MB)

Arabic Abstract

تم تصميم أجهزة الاحتراق لتتوافق مع متطلبات معينة مثل الانبعاثات المنخفضة والكفاءة العالية لتلبية الجهود العالمية لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. التكنولوجيا المفضلة لتحقيق هذه الأهداف هي الاحتراق بالأكسجين لهب مختلط مسبقًا. عيب هذه التقنية هو نافذة التشغيل الضيقة ، والتي تنتج عن ضعف اللهب وعدم استقرار الاحتراق. لحل هذا القيد ، يتم تنفيذ تقنيات الموقد وتخصيب الهيدروجين بشكل عام لتحقيق نطاق استقرار واسع. على عكس الشعلات الأخرى ، فإن تقنية micromixer قادرة على قمع التكرار المبكر للارتجاع وكذلك العمل بشكل ملائم في متطلبات تخفيف ثاني أكسيد الكربون العالية لدورات الطاقة بدون انبعاثات. وبالتالي ، تبحث هذه الدراسة في الاحتراق المستقر تجريبيًا وعدديًا متعدد الفتحات للاحتراق بالأكسجين للهب مختلط مسبقًا المخصب بالهيدروجين. أولاً ، تمت دراسة خصائص التدفق والخلط غير المتفاعلة داخل أنبوب واحد من موقد المزج الدقيق رقميًا من أجل تطبيقات احتراق وقود أوكسي مختلطة بانبعاثات صفرية محتملة ، مثل توربينات الغاز. تم التحقيق في تأثير المعلمات الهندسية على جودة الخلط لخليط متفاعل مع وقود الأكسجين يتكون من CH4 و O2 و CO2 لمعلمات التصميم: قطر مدخل الوقود (من 0.2 إلى 1.0 مم) ، عدد فتحات الوقود (4 و 6) ، وطول الأنبوب (من 5D إلى 15D). أظهرت النتائج أن جودة الخلط لا تعتمد بشكل مباشر على حجم ثقب الوقود ولكن على نسبة التدفق عزم التدفق النفاث. أيضًا ، يمكن أن تحقق الخلاطات الدقيقة جودة خلط عالية ممكنة للاحتراق المخلوط مسبقًا على ارتفاع معقول للموقد. ثانيًا ، بحثت الدراسة بشكل تجريبي في تأثيرات تخصيب H2 على لهب الأكسجين والميثان المخلوط مسبقًا والمثبت على موقد يشبه المزج الدقيق لإنتاج الطاقة النظيفة في توربينات الغاز. تم إنشاء منطقة الاحتراق المستقرة على نطاقات جزء الهيدروجين للوقود (HF: 25-70٪) ونسبة التكافؤ (ϕ: 0.1-1) عند جزء أكسجين مؤكسد ثابت (OF = 30٪) وسرعة نفاثة ثابتة (5.2 م / ث ). كما تم دراسة تأثير عوامل التشغيل المختلفة على ثبات اللهب والبنى الكلية. أظهرت النتائج أن حد الانفجار الخفيف للغاية عند of = 0.1 عند HF = 70٪ ولا يوجد حدوث ارتجاع عند ϕ = 1 لمدى HF 25 - 70٪ يمكن تحقيقه باستخدام الموقد الشبيه بالميكروكسير. ثالثًا ، تم إجراء دراسة عددية لخصائص الاحتراق والانبعاثات لهب أوكسي ميثان المضطرب مع تخصيب الهيدروجين (لهب CH4-H2 / O2-CO2). حالة غرفة الاحتراق تصور حالة نظام اللهب المموج المموج. لذلك ، تم نمذجة اللهب المضطرب الممزوج مسبقًا باستخدام نهج طوبولوجيا مقدمة اللهب المتغير لتقدم التفاعل باستخدام تقنية محاكاة إيدي الكبيرة (LES). تم التحقق من صحة النموذج العددي من خلال بيانات درجة الحرارة التي تم الحصول عليها من جهاز الاحتراق الذي يشبه المزج الدقيق المسبق. تم العثور على انبعاث ثاني أكسيد الكربون يقلل بشكل كبير مع 10٪ (جزء الوقود) تخصيب الهيدروجين ولكنه يزداد مع إضافة المزيد من الهيدروجين.

English Abstract

Combustors are designed to conform to certain requirements such as low emissions and high efficiency to meet global efforts towards minimizing CO2 emissions. The preferred technology for achieving these objectives is oxy-combustion of premixed flames. This technology's drawback is its narrow operability window, which is due to weak flames and combustion instabilities. To solve this limitation, burner technologies and hydrogen enrichment are generally implemented to achieve a wide stability range. Unlike other burners, the micromixer technology can suppress the early occurrence of flashback and operate conveniently at high CO2-dilution requirements for zero-emission power cycles. Thus, this study investigates experimentally and numerically multi-hole burner stabilized combustors for oxy-combustion of hydrogen-enriched premixed flames. Firstly, the non-reacting flow and mixing characteristics inside a single tube of a micromixer burner were numerically studied for potential zero-emission premixed oxy-fuel combustion applications, such as gas turbines. The influence of geometrical parameters on the mixing quality of an oxy-fuel reactant mixture consisting of CH4, O2, and CO2 was investigated for design parameters: fuel inlet diameter (from 0.2 to 1.0 mm), number of fuel holes (4 and 6), and tube length (from 5D to 15D). The results showed that mixing quality is not directly dependent on fuel hole size but the main flow ratio to jet flow momenta. Also, micromixers can achieve high mixing quality feasible for premixed combustion at a reasonable burner height. Secondly, the study investigated experimentally the effects of H2-enrichment on premixed oxy-methane flames stabilized on a micromixer-like burner for clean energy production in gas turbines. The stable combustion zone was established over ranges of fuel hydrogen fraction (HF: 25-70%) and equivalence ratio (ϕ: 0.1-1) at fixed oxidizer oxygen fraction (OF=30%) and fixed jet velocity (5.2 m/s). Also, the effects of various operating parameters on flame stability and macrostructures were studied. Results showed that the extremely lean blowout limit of ϕ = 0.1 at HF = 70% and no flashback occurrence at ϕ = 1 for HF range 25 – 70% is achievable with the model micromixer-like burner. Thirdly, a numerical study of combustion and emission characteristics of turbulent premixed oxy-methane flames with hydrogen-enrichment (CH4-H2/O2-CO2 flames) was conducted. Combustion chamber condition depicts that of the corrugated premixed flame regime. The premixed turbulent flame was modeled using the reaction progress variable flame front topology approach with the Large Eddy Simulation (LES) technique. The numerical model was validated with temperature data obtained from the premixed micromixer-like burner combustor. The CO emission was significantly reduced with 10% (fuel fraction) hydrogen enrichment but increased with further addition of hydrogen.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Ben-Mansour, Rached
Committee Members:	Hossain, Mohammad Mozahar and Antar, Mohamed Abdelkarim Mohamed and Khalifa, Atia
Depositing User:	Mr Abdulrazaq ARAOYE
Date Deposited:	15 Sep 2021 07:29
Last Modified:	15 Sep 2021 07:29
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141956