INVESTIGATION OF IMPACT OF SWIRL ON CHARACTERISTICS OF COMBUSTION AND EMISSION OF PREMIXED OXY-METHANE FLAMES IN SWIRL-STABILIZED MODEL GAS TURBINE COMBUSTORS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) MS_Thesis_201805780_SHORAB HOSSAIN.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 28 May 2024. Download (3MB)

Arabic Abstract

على الرغم من اختراع تقنية جديدة للطاقة المتجددة ، تستمر استخدامات الوقود الأحفوري في الارتفاع بسبب الطلب الكبير على الطاقة. بسبب قواعد الحفاظ على البيئة الأكثر صرامة ، يتعين على مصنعي توربينات الغاز تطوير تقنية جديدة بحيث يتم فرض انبعاثات أقل من أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكربون. لتقليل الانبعاثات وزيادة كفاءة الاحتراق عند استخدام الوقود الأحفوري ، سيتم تنفيذ تطوير إنتاج مستدام للطاقة النظيفة. نتيجة لذلك ، ينصب تركيز هذه الأطروحة على طرق الاحتراق بالأكسجين مع تصميمات مختلفة للموقد لتوليد الطاقة في توربينات الغاز مع احتجاز ثاني أكسيد الكربون. في ظل إعدادات احتراق الوقود / المؤكسد المرنة ، تم استكشاف خصائص الاحتراق واستقرار اللهب لطرق الاحتراق المختلفة ومقارنتها عدديًا. تم تنفيذ عمل محاكاة إيدي كبيرة (LES). تمت مراجعة التحديات والحلول المختلفة في الاحتراق وخصائص اللهب وتقنية الاستقرار. تمت مناقشة آليات تثبيت اللهب مثل تأثير الدوامة على استقرار اللهب ويتم عمل تجريبي ومحاكاة. تبحث هذه الدراسة في خصائص الاستقرار والاحتراق لهب الأكسجين والميثان الممزوج مسبقًا في جهاز الاحتراق الجاف ذي الانبعاث المنخفض (DLE) لتطبيقات الاحتراق المرن / المؤكسد للوقود النظيف في توربينات الغاز. يتم تحديد حدود الانفجار والارتجاع لللهب أوكسي ميثان بنسب التكافؤ (φ) التي تتراوح من 0.1 إلى 1.0 وكسور الأكسجين (OF: التركيز الحجمي لـ O2 في مؤكسد O2 / CO2) تتراوح من 25 إلى 70٪. آليات تثبيت اللهب ، على سبيل المثال يتم دراسة تأثير الدوامة على استقرار اللهب بشكل تجريبي ويتم عمل المحاكاة للدوامة ذات الزوايا 45 درجة و 55 درجة. أظهرت النتائج أنه كلما انخفضت الزاوية كلما اتسعت المنطقة المستقرة. لقد ثبت أن خصائص استقرار اللهب والاحتراق يتم تحديدها في الغالب من خلال درجة حرارة اللهب ثابت الحرارة (AFT). يتبع منحنى الانفجار على خريطة الاستقرار بالمثل شكل AFT الثابت ، ومع ذلك ، فإن منحنى الفلاش باك لا يفعل ذلك. هناك تغيير طفيف للغاية في الانفجار بزاوية دوامة ولكن كلما زادت الزاوية انخفض خط الفلاش باك. يصبح اللهب طويلًا وعلى شكل حرف V لـ 45 درجة دوامة. مع زيادة الدوامة (55 درجة دوامة) ، يصبح شكل اللهب أوسع وأصغر. مع زيادة نسبة التكافؤ (ϕ) ، تصبح منطقة إعادة التدوير الخارجية (ORZ) أقوى وتتحرك الدوامة في IRZ بشكل أكبر في اتجاه مجرى النهر ، مما يجعل اللهب أقصر ومضغوطًا. يتم تحديد ملف تعريف درجة الحرارة لدوامة مختلفة ونسبة محددة من OF والتكافؤ φ. ستتم مقارنة النتائج التجريبية والمحاكاة لاحتراق الأكسجين والميثان المستقر في دوامة مختلفة في هذه الدراسة.

English Abstract

Despite the invention of new technology of renewable energy, fossil fuel usages continue to rise because of large energy demand. Because of the stricter rules to save the environment, gas turbine manufacturers are to develop new technology so that low NOx and CO2 emission is enforced. To reduce emissions and increase combustion efficiencies when using fossil fuels, the development of sustainable cleaner energy production will be implemented. As a result, the focus of this thesis work is on oxy-combustion methods with various burner designs for power generation in gas turbines with CO2 capture. Under flexible fuel/oxidizer oxy-combustion settings, combustion, and flame stability characteristics for different combustion methods have been explored and compared numerically. Large Eddy Simulation (LES) work was carried out. Different challenges and solutions in combustion, and flame characteristics and stability technique have been reviewed. Flame stabilization mechanisms such as impact of swirl on flame stability is discussed & experimental and simulation work is done. This study looks at the stability and combustion characteristics of premixed oxy-methane flames in a dry low emission (DLE) model combustor for clean fuel/oxidizer-flexible combustion applications in gas turbines. The blowout and flashback limits of the oxy-methane flame are defined by equivalency ratios (ϕ) ranging from 0.1 to 1.0 and oxygen fractions (OF: volumetric concentration of O2 in the O2/CO2 oxidizer) ranging from 25% to 70%. Flame stabilization mechanisms, for example impact of swirl on flame stability is studied experimentally and simulation work is done for swirler with angles 45° and 55°. The results showed that the lower the angle the wider the stable zone. Flame stability and combustion characteristics have been shown to be mostly determined by the adiabatic flame temperature (AFT). The blowout curve on the stability map similarly follows a constant AFT shape, however the flashback curve does not. There is very little change for blowout with swirler angle but the higher the angle the lower the flashback line. The flame becomes long, and V shaped for 45° Swirler. As the swirl increases (55° Swirler), the shape of the flame becomes wider and smaller. As the equivalence ratio (ϕ) increases, the outer recirculation zone (ORZ) becomes stronger and the eddy in IRZ shifts further downstream this makes the flame shorter and compact. The temperature profile for different swirler and specific OF and equivalence ratio ϕ is determined. Experimental and simulated results of different swirl stabilized oxy-methane combustion are compared in this study.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	A. M. Habib, Dr. Mohammed
Committee Members:	A. Mohammad Said, Dr. Syed and Abdelhafez, Dr. Ahmed
Depositing User:	SHORAB HOSSAIN (g201805780)
Date Deposited:	29 May 2023 07:09
Last Modified:	29 May 2023 07:09
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142402