INVESTIGATION OF COMBUSTION AND EMISSION CHARACTERISTICS OF OXY-FUEL FLAMES IN SWIRL-STABILIZED AND MULTI-HOLE TYPE MODEL GAS TURBINE COMBUSTORS

INVESTIGATION OF COMBUSTION AND EMISSION CHARACTERISTICS OF OXY-FUEL FLAMES IN SWIRL-STABILIZED AND MULTI-HOLE TYPE MODEL GAS TURBINE COMBUSTORS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (MS Thesis)
MS_Thesis_Md Azazul Haque (12-Jan-22).pdf - Draft Version
Restricted to Repository staff only until 12 January 2023.
Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (8MB)

Arabic Abstract

يزيد الاستخدام المكثف للوقود الأحفوري من الملوثات ووجود الغازات الدفيئة (GHG) في البيئة ويؤدي إلى تفاقم ظاهرة الاحتباس الحراري. يجب تبني تطوير إنتاج مستدام للطاقة النظيفة لتقليل الانبعاثات وزيادة كفاءة الاحتراق باستخدام الوقود الأحفوري. لذلك، تركز هذه الأطروحة على طرق الاحتراق بالأوكسجين بأنواع الوقود المختلفة (البروبان والميثان وغاز التخليق) وتصميمات الموقد المختلفة لتوليد الطاقة في توربينات الغاز مع احتجاز ثاني أكسيد الكربون. تم فحص خصائص الاحتراق والانبعاثات واستقرار اللهب عدديًا ومقارنتها بتقنيات الاحتراق المختلفة في ظل ظروف احتراق الوقود/المؤكسد المرنة. تم فحص ثلاثة أنواع من الوقود الغازي (الميثان، والبروبان، وغاز التخليق) في موقدين للتوربينات الغازية (موقد دوامي وموقد متعدد الفتحات) على مدى واسع من عوامل التشغيل. تم تطوير محاكاة ديناميكيا الموائع الحسابية (CFD) لكلا الموقدين، الموقد الدوامي والموقد متعدد الفتحات. تم اعتماد محاكاة الدوامة الكبيرة العابرة (LES) للموقد الدوامي بعد التحقق من صحتها بمقارنة النتائج مع بيانات درجات الحرارة المقاسة معملياً. وعلى الجانب الأخر، تم اعتماد محاكاة المتوسط النظري لمعادلة Navier-stokes (RANS) للموقد متعدد الفتحات. تم التحقق من صحة نتائج المحاكاة للموقد متعدد الفتحات عن طريق مقارنة درجات الحرارة القصوى للخب مع تلك المحسوبة نظرياً. تم إضافة ثاني أكسيد الكربون مع خليط الوقود والأكسجين الداخل لتقليد إعادة تدوير غاز العادم في التوربينات الغازية. تم مقارنة لهب الوقود والأكسجين في تركيبات خليط مختلفة عن طريق تغيير نسبة التكافؤ (Ø = 0.241-0.597) ونسبة الأكسجين (OF = 32.4-60٪) عند سرعة مدخل ثابتة تبلغ 5.2 م/ث تحت ظروف الضغط الجوي. تم تحديد درجة حرارة اللهب القصوى (Tad أو AFT) كمعامل سائد في تحديد استقرار اللهب وسلوكيات الاحتراق. وقد لوحظ وجود منطقتين منفصلتين لإعادة الدوران الداخلي من خطوط انسيابية السرعة العددية للهب البروبان والأكسجين في الموقد الدوامي. تشير النتائج بناء على LES إلى أن معدلات التفاعل لألسنة لهب البروبان والأكسجين المخفف بثاني أكسيد الكربون (C3H8/O2/CO) المختلط مسبقًا والمستقر دوامياً تزداد مع زيادة Φ وOF. تُظهر ألسنة اللهب ذات نفس قيمة درجة الحرارة القصوى (Tad) هياكل وحقول تدفق متشابهة من حيث شكل اللهب، ودوران التدفق، ودرجة الحرارة، وتوزيع العناصر الكيميائية، بغض النظر عن قيم Φ وOF. عند قيم Tad أعلى، لوحظ أن ألسنة اللهب تكون أكثر إحكاما مع انخفاض سماكة اللهب وارتفاع رقم Damkohler (Da). في جميع الحالات، تمت ملاحظة Da> 1 ، مما يشير إلى هيمنة معدل التفاعل في لهب البروبان والأكسجين عن معدل الانتشار. كما لوحظ وجود منطقة دوران داخلي (IRZ) ثانوية بالقرب من مخرج غرفة الاحتراق. يؤثر تكوين الخليط ودرجة حرارة الاحتراق على تركيز أول أكسيد الكربون عند مخرج المفاعل. لوحظ أعلى انبعاث أول أكسيد الكربون عند 0.17 جزء في المليون للهب مع أعلى قيم Φ وTad، وفي الوقت نفسه لم يُلاحظ أي انبعاث لأول أكسيد الكربون للهب مع ارتفاع OF وانخفاض قيم Φ بين الحالات المدروسة. ولوحظ أيضًا سلوك مماثل لهب الميثان والأوكسجين. أظهرت المقارنة أن لهب غاز التخليق والأوكسجين ينتج عنه توزيعًا أكثر اتساقًا لدرجة الحرارة عند مخرج المفاعل بينما أظهر لهبي الميثان والبروبان مع الأوكسجين انبعاث أقل لأول أكسيد الكربون وطاقة حرارية أعلى، على التوالي. مقارنةً بالموقد الدوامي، لوحظ فقط منطقة إعادة تدوير خارجية (ORZ) للهب البروبان والأكسجين في الموقد متعدد الفتحات. أظهر لهب البروبان والأكسجين في الموقد متعدد الفتحات بناء على نموذج RANS عامل نمط أعلى نسبيًا ووجود ORZ فقط، مقارنةً بذلك في الموقد الدوامي في ظل حالة تدفق مدخل مماثلة.

English Abstract

Extensive use of fossil fuels increases the pollutants and presence of greenhouse gases (GHG) in the environment and aggravates global warming. The development of sustainable cleaner energy production is to be adopted to reduce the emissions and increase the combustion efficiencies using fossil fuels. Therefore, this thesis work focuses on oxy-combustion methods with different fuels (propane, methane, and syngas) and different burner designs for power generation in gas turbines with CO2 capture. Combustion, emission, and flame stability characteristics have been investigated numerically and compared for different combustion technologies under fuel/oxidizer-flexible oxy-combustion conditions. Three gaseous fuels (i.e., methane, propane, and syngas) have been examined in two gas turbine burners (swirl-stabilized and multi-hole burner) over wide ranges of operating parameters. Computational fluid dynamics (CFD) simulations have been developed for two combustor geometries; swirl-stabilized and multi-hole burner. Transient large eddy simulation (LES) have been adopted for the swirl-stabilized combustor. Developed LES model has been validated against experimentally obtained combustor temperatures. On the other hand, Reynolds-averaged Navier-stokes (RANS) turbulence model have been employed for the multi-hole burner. Numerical combustor temperatures of multi-hole burner have been compared with the corresponding theoretical adiabatic temperatures. Carbon-dioxide is added with the inlet fuel-oxygen stream to imitate the exhaust gas recirculation in gas turbine. The oxy-fuel flames are compared in various mixture compositions by varying the equivalence ratio (Ø=0.241-0.597) and oxygen fraction (OF=32.4-60%). A fixed bulk inlet velocity of 5.2 m/s is considered for the simulation cases under atmospheric condition. The adiabatic flame temperature (Tad or AFT) has been identified as a dominant parameter in determining flame stability and combustion behaviors. Two separate inner recirculation zones have been observed from the numerical velocity streamlines for oxy-propane flames in swirl-stabilized combustors. The results with LES indicate that the reaction rates for premixed swirl-stabilized CO2-diluted oxy-propane (C3H8/O2/CO2) flames increase with the increase of Φ and OF. Flames of the same adiabatic flame temperature (Tad) show similar macro-and flowfield-structures, in terms of flame shape, flow circulation, and temperature, and species distributions, irrespective of the values of Φ and OF. At higher Tad, the flames were observed to be more compact with reduced flame thickness and higher Damköhler number (Da). In all cases, Da > 1 were observed, indicating the dominance of reaction rate in oxy-propane flames than the diffusion rate. A secondary IRZ was also observed near the outlet of the combustor. Mixture composition and combustion temperature influence the CO concentration at the combustor exit. The highest CO emission was observed at 0.17 ppm for the flame with highest Φ and Tad, meanwhile no CO emission was seen for flames with high OF and low Φ among the studied cases. Similar behavior was also observed for oxy-methane flames. In comparison, oxy-syngas flames have demonstrated more uniform temperature distribution at combustor outlet while oxy-methane and oxy-propane flames have shown lower CO emission and higher thermal power, respectively. Compared to the swirl-stabilized counterpart, only outer recirculation zone (ORZ) has been observed for oxy-propane flames in multi-hole combustor. The oxy-propane flames in multi-hole burner obtained with RANS turbulence model demonstrated relatively higher pattern factor and the presence of only ORZ, as compared to that in swirl-stabilized combustor under similar inlet flow condition.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Research
Research > Engineering
Physics
Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Habib, Mohammed Abdulaziz Mustafa
Committee Members: Said, Syed Ahmad Mohammad and Mokheimer, Esmail Mohamed Ali and Khalifa, Atia Esmaeil Atia
Depositing User: MD AZAZUL HAQUE (g201806100)
Date Deposited: 13 Jan 2022 06:20
Last Modified: 13 Jan 2022 06:20
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142042