Experimental and Numerical Study of Oxyfuel Combustion in a Dual Annular Counter Rotating Swirl (DACRS) combustor. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

	PDF Raghib-PhD-v55-Final-eprint.pdf Restricted to Repository staff only until 15 January 2024. Download (24MB)
	PDF (PhD Dissertation) Raghib-PhD-v55-Final-eprint_opt.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 15 January 2024. Download (12MB)

Arabic Abstract

يتميز لهب الاحتراق الطبقي بخاصية فريدة حيث أنه يكون مستقرا في ظل الظروف التشغيلية فائضة الهواء. من ناحية أخرى، يعد احتراق الوقود بالأكسجين تقنية مهمة تُستخدم لأغراض التقاط الكربون لاستخدامه أو تخزينه. ورغم أهميته، لم يتم تناول دراسة الاحتراق الطبقي للوقود بالأكسجين في الأبحاث السابقة. ولذلك تهدف الدراسة الحالية إلى ملء هذا الفراغ وتحديد عيوب وإمكانيات استخدام الاحتراق الطبقي مع احتراق الوقود بالأكسجين. فى هذا البحث، تم إجراء دراسات عملية ونظرية لدراسة تركيب لهب الاحتراق الطبقي واستقراره في حالتي حرق غاز الميثان بالهواء والأكسجين. وفي هذا الصدد، تم تصميم وتصنيع جهاز احتراق دوامي طبقي يتكون من حلقين مع جسم من السيراميك في المنتصف. ويمكن تزويد كل حلقة من الحلقات بغازات من مدخلين حيث يوفر أحد المدخلين تدفقًا مستقيماً بينما يضفي الآخر حركة دوامية دائرية على التدفق ونتيجة لذلك يلتقي التدفق من المدخلين في الحلقة. اعتمادًا على معدل التدفق الحجمي من خلال كل من الدوامة وكامل التدفق المستقيم، يمكن تغيير الرقم الدوامي للتدفق لكل حلقة بين 0.5-1.2. علاوة على ذلك، تم تطوير النماذج النظرية للهواء ولهب الاحتراق الأكسجيني والتحقق من صحتها من خلال النتائج المعملية من الأبحاث السابقة وكذلك التجارب التي أجريت في العمل كجزء من الدراسة الحالية. ولقد تم دراسة تأثير معاملات التدفق والاحتراق الهامة مثل نسبة التقسيم الطبقي ورقم رينولدز ونسبة التكافؤ وتكوين الدوامة على سلوك اللهب. تُعرف نسبة التقسيم الطبقي بأنها نسبة التكافؤ في الحلقة الداخلية إلى تلك الموجودة في الحلقة الخارجية. ولقد جد أن استخدام الشعلة الطبقية النفاثة يعمل على تحسين الاستقرار غير الحركي لجهاز الاحتراق بنسبة 19-55٪ مقارنة بالحالات التي لا توجد بها طبقات (نسبة التقسيم الطبقي = 1) اعتمادًا على مستوى التقسيم الطبقي ورقم رينولدز. كما تم إجراء مزيد من الدراسات لتقييم تأثير الدوامة على استقرار الشعلة. تم تعريف نسبة الكسر الدوامي على أنها نسبة التدفق الحجمي عبر وحدة الدوامة إلى التدفق الكلي. بناءً على النتائج، وجد أن نسبة الكسر الدوامي 0.25 للحلقة الداخلية و0.5 للحلقة الخارجية هي الأمثل لأفضل ثبات للشعلة. أدت إضافة الدوامة إلى التدفق إلى تقليل نسبة التكافؤ التي يحدث عندها انطفاء الشعلة بنسبة 5٪، مما أدى إلى تحسين الاستقرار، مع الحفاظ على التدفق مرتبطًا بالجسم الموجود في المنتصف وتأخير بدء انطلاق اللهب. أظهرت الشعلات الطبقية أيضًا بنية مختلفة بالقرب من نقطة الانطفاء والتي تحدث فجأة مقارنة بالشعلة غير الطبقية. لا يوصى باستخدام الشعلات النفاثة مع احتراق الوقود بالأكسجين حيث لوحظ ارتفاع ألسنة اللهب عند استخدام نسبة تكافؤ كلية أكبر من 0.8. علما بأنه يتم احتراق الوقود بالأكسجين بشكل عام بنسب تكافؤ أقرب إلى قياس العناصر الكيميائية من أجل منع إهدار الأكسجين. لذلك، يجب استخدام التدفق الدوامي مع احتراق الوقود بالأكسجين الطبقي. أظهرت شعلات الوقود بالأكسجين المحتوية على ثاني أكسيد الكربون بنسبة 70٪ في الخليط المؤكسد نفس الثبات والشكل الكلي لشعلة الاحتراق الهوائي. عند نسبة التكافؤ الكلية البالغة 0.9، لوحظ أن الشعلة تكون موجودة حتى نسبة 83٪ من ثاني أكسيد الكربون في الخليط المؤكسد. كما كشفت الدراسة النظرية أن نسبة التقسيم الطبقي لا تأثر على مجال تدفق شعلات الوقود الأكسجيني الطبقي على عكس الاحتراق الهوائي.

English Abstract

Stratified flames have a distinct advantage of improving the stability of flames under lean conditions. On the other hand, Oxyfuel combustion is an important technology that is used for carbon capture, utilization and sequestration (CCUS) purposes. The study of stratified oxyfuel combustion has not been previously tackled in the literature. The present study aims to cover this gap and identify the potential/drawbacks of using stratified flames with oxyfuel combustion. Flame Macrostructures and Static stability of air and oxyfuel flames with methane are investigated experimentally and numerically, in the present study. In this regard, a stratified swirl burner was designed and manufactured. The manufactured swirl burner consisted of two annuli with a ceramic bluff body at the center. Each of the annulus can be supplied with gases from two plenums. One of the plenums provides straight flow while the other plenum imparts a swirling motion to the flow. The flow from the two plenums meets in the annulus. Depending upon the volume flow rate through each of the swirl and straight flow plenum the swirl number of the flow can be varied. The swirl number of each annulus can be varied between 0.5-1.2. Furthermore, numerical models for air and oxy-combustion flames were developed and validated with experimental results from the literature as well as the experiments conducted in the present work. Effects of important flow and combustion parameters such as Stratification Ratio (SR), Reynolds Number, equivalence ratio and swirl configuration, on the flame behavior have been investigated. Stratification Ratio is defined as the ratio of equivalence ratio in the inner annulus to that in the outer annulus. The use of stratified jet flames was found to improve the static stability of the burner by 19-55% in comparison to cases with no stratification (SR=1), depending upon the stratification level and Reynolds number. Further studies were carried out to assess the impact of swirl on the flame stability. Swirl Fraction Ratio (SFR) was defined as the ratio of volume flow through the swirl plenum to the total flow. Based on the results a swirl fraction ratio of 0.25 for the inner annulus and 0.5 for the outer annulus was found to be optimum for the best flame stability. Addition of swirl to the flow reduced the equivalence ratio at which blow off occurs by 5%, improving the stability, while keeping the flow attached to the bluff body and delaying the onset of flame lift off. Stratified flames also exhibited different flame structure near the blowoff and extinguished suddenly in comparison to non-stratified flames. The use of jet-flames is not recommended with oxyfuel combustion as lifted flames were observed at global equivalence ratio greater than 0.8. Oxyfuel combustion is generally carried out at equivalence ratios closer to stoichiometry in order to prevent wastage of oxygen. Therefore, swirling flow should be used with stratified oxyfuel combustion. Oxyfuel flames with 70% CO2 dilution in the oxidizer mixture exhibited similar stability and flame macro structure as that of air combustion. At global equivalence ratio of 0.9, flame was observed up to a CO2 dilution of 83% in the oxidizer mixture. Numerical investigations further revealed that unlike air combustion, the flow field of stratified oxyfuel flames were not affected by stratification ratio.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mokheimer, Esmail M. A.
Committee Members:	Antar, Mohamed Abdelkarim Mohamed and Alhems, Luai M. and Mansour, Rached and Mahmoud, Mohamed ANA
Depositing User:	MOHAMMAD R SHAKEEL (g201406440)
Date Deposited:	15 Jan 2023 07:32
Last Modified:	15 Jan 2023 07:32
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142319