Solar Assisted Ion Transport Membrane (ITM)/Multi-Hole Burner System for Zero-Emission Power Generation

Solar Assisted Ion Transport Membrane (ITM)/Multi-Hole Burner System for Zero-Emission Power Generation. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (PhD Dissertation)
PhD_Dissertation_Mansur_Aliyu_201404960_Final.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 19 December 2022.

Download (16MB)

Arabic Abstract

تقدم ھذه الدراسة نتائج الاستقصاء العددي والتجریبي لمحطة تولید الطاقة ذات الدورة المركبة المعدلة مع احتراق الأوكسجین في نظام موقد متعدد الفتحات لتولید طاقة بدون انبعاثات. یتم إنتاج الأكسجین المستخدم في عملیة احتراق تغطي الدراسة التحلیل الدینامیكي الحراري .(ITM ) الأوكسجین بواسطة غشاء نقل أیوني یعمل بالطاقة الشمسیة لمحطة تولید الطاقة ذات الدورة المركبة، وتعدیل المحطة لتعمل بنظام احتراق الأوكسجین، وعملیة الاحتراق، وخصائص الانبعاثات للاحتراق بالأوكسجین والھواء الغمى بالأوكسجین بالإضافة إلى التحلیل الاقتصادي للمحطة المعدلة. تم إجراء الجزء التجریبي من الدراسة باستخدام منصة اختبار مسبقة الخلط بینما تم إجراء الجزء العددي من أشارت نتائج .ANSYS Fluent و Aspen HYSYS و (EES) الدراسة باستخدام مبرمج المعادلات الھندسیة (STC) الدراسة إلى أن المصدر الرئیسي لعدم الانعكاس (تدمیر الطاقة الخارجیة) في دورة التوربینات البخاریة والتوربینات والمكثف. أظھرت النتائج HRSG ھو المدخنة یلیھا (CCPP) لمحطة تولید الطاقة ذات الدورة المركبة بنظام احتراق الوقود بالأوكسجین زیادة في CCPP ینتج عن تعدیل .STC كفاءة طاقة للتوربین ھي الأعلى في تبلغ 1000 درجة مئویة. أیضًا، یتم (ASU) صافي خرج الطاقة بحوالي 4.3 ٪ عند درجة حرارة وحدة فصل الھواء إعادة تدویر 7.306 كجم / كیلو وات ساعة من ثاني أكسید الكربون بینما یتم التقاط 0.523 كجم / كیلو وات ساعة CH4/O2/CO من ثاني أكسید الكربون. أظھرت النتائج تطابق حدود الانفجار والإطفاء لكل من لھبي 2 لم یتم ملاحظة ھذا المطابقة مع معدل تدفق كتلة الخلیط ورقم .(Tad) مسار درجة حرارة لھب ثابتة CH4/O2/N و 2 .CH4/O2/CO كثافة طاقة ثابتة بینما لم یتم ملاحظة ذلك للھب 2 CH4/O2/N رینولد. اتبعت حدود الضوضاء للھب 2 التي ینطفئ عندھا لھب ثاني أكسید الكربون أعلى من (φ) تكون نسبة التكافؤ ،(OF) بالنسبة لجزء أكسجین معین لھب النیتروجین بسبب المقاومة الضعیفة للھب الأكسجین للإطفاء مقارنة بلھب الھواء. منطقة الاحتراق المستقرة xxiv للھب ثاني أكسید الكربون أكبر من منطقة الاحتراق المستقرة للھب النیتروجین؛ مع عدم وجود تشابھ لوحظ في حدود الذي تم النظر فیھ في ھذه الدراسة. OF الاطفاء لثاني أكسید الكربون وأكسید النیتروجین حتى عند الحد الأقصى ل ھو معامل التحكم الأھم Tad مما یشیر إلى أن CH4/O2/CO متطابقة تقریبًا في حالة لھب 2 Tad أشكال اللھب لنفس إلى ھیمنة معدل OF تؤدي زیادة .CH4/O2/CO لتحدید خریطة الاستقرار وتحدید شكل لھب الاحتراق لھب 2 وانبعاث ثاني أكسید الكربون. وتعزز نتائج ھذه الدراسة التوصیة Damkohler التفاعل، وبالتالي، یزید من عدد بدلاً من Tad القائلة بأن تصمیم وتشغیل مفاعلات التوربینات الغازیة لحرق الوقود بالأوكسجین یجب أن یعتمد على النسبة المئویة لإعادة تدویر غاز العادم أو نسبة التخفیف.

English Abstract

This study presents the results of numerical and experimental investigation of a combined cycle power plant retrofitted with an oxy-combustion in a multi-hole burner system for zero-emission power generation. The oxygen used in the oxy-combustion process is produced by a solar-powered ion transport membrane (ITM). The study covers the thermodynamic analysis of a combined cycle power plant, retrofitting the plant with an oxy-combustion system, combustion, and emission characteristic of the premixed oxycombustion and premixed oxygen-enriched-air combustion as well as the economic analysis of the retrofitted plant. The experimental part of the study was conducted using a premixed test rig while the numerical part of the study was conducted using Engineering Equation Solver (EES), Aspen HYSYS, and ANSYS Fluent. The study results indicated that the major source of irreversibility (exergy destruction) in the steam turbine cycle (STC) of the combined cycle power plant (CCPP) is the stack followed by HRSG, turbine, and condenser. The exergetic efficiency of the turbine appeared to be the highest in the STC. Retrofitting the CCPP with an oxyfuel combustion system results in an increase in net power output of about 4.3% at an air separation unit (ASU) temperature of 1000 oC. Also, 7.306 kg/kWh of CO2 is recycling while 0.523 kg/kWh of CO2 is captured. Blowout and acoustic limits of CH4/O2/CO2 and CH4/O2/N2 flames follow a xxii path of constant adiabatic flame temperature (Tad). Such conformity was not observed in cases of the mass flow rate of the mixture and Reynolds number. Acoustic limits of CH4/O2/N2 flames followed a contour of constant PD while CH4/O2/CO2 flames do not. For a given oxygen fraction (OF), the equivalence ratio (φ) at which CO2 flames blowout is higher than that of N2 flames due to the poorer resistance of oxyfuel flames to blowout as compared to air flames. The stable combustion zone of CO2 flames is larger than that of N2 flames; with no similarity observed in the blowout limits of CO2 and N2 even at the maximum OF considered in this study. Flame shapes for the same Tad are nearly identical in the case of CH4/O2/CO2 flames which indicates that the Tad is a strong controlling parameter in quantifying the stability map and determining the combustor flame shape of CH4/O2/CO2 flames. Increasing the OF leads to reaction rate dominancy and hence, increases the Damkohler number and the emission of CO. The outcomes of this study reinforce the recommendation that the design and operation of combustors of oxyfuel gas-turbine should be based on Tad rather than the percentage of exhaust gas recirculation or dilution ratio.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Said, Syed A. M.
Committee Members: Badr, Hassan M. and Hossain, Mohammad M. and Khalifa, Atia E. A.
Depositing User: MANSUR ALIYU (g201404960)
Date Deposited: 20 Dec 2021 12:32
Last Modified: 20 Dec 2021 12:32
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141991