Modeling of oxygen–enriched and oxy–combustion of lignite in CFBC and verification with experiments - Raheem, Duygu Gündüz (My University, 2020)
Oksi yanma ve oksijence zengin yanma teknolojileri önemli karbondioksit tutma alternatifleri olarak görülmektedir. Bu çalışmada, 30 kW termal kapasiteli bir dolaşımlı akışkan yatak sisteminde yakma atmosferindeki oksijen konsantrasyonunun, linyitin oksijence zengin ve oksi yanmasına olan etkisi deneysel ve numerik olarak incelenmiştir. Oksijen konsantrasyonu %21 ile %28 arasında tutulmuştur. Oksi yanma testleri ve simülasyonlarında, baca gazı geri döndürme oranı 0.72 ile 0.63 arasında değişmektedir.Deneysel çalışmalarda, oksijen fazlalık katsayısı sabit tutularak; yakıcı girişindeki oksijen konsantrasyonunun basınç, sıcaklık, emisyonlar ve yanma verimi üzerine etkisi araştırılmıştır. Oksijen oranının artışı ile yakıcıdaki sıcaklıklar artış göstermiştir. CO2 emisyonları beklendiği üzere oksi yanma deneylerinde büyük oranda artmıştır. Oksi yanma şartlarında, CO, NO, N2O ve SO2 emisyonlarının birim enerji başına kütlesel konsantrasyonlarının havayla ve oksijence zengin yanmaya göre önemli ölçüde düştüğü görülmüştür. Oksijen konsantrasyonunun artışı NO ve SO2 emisyonlarını arttırırken, CO ve N2O emisyonlarını azaltmıştır. Yüksek oksijen oranı her iki yanma atmosferi için yanma verimini iyileştirirken; aynı oksijen derişiminde benzer yanma verimleri elde edilmiştir.Modelleme ve simülasyon çalışmaları kapsamında; soğuk akış, oksijence zengin yanma ve oksi yanma simülasyonlarının yapılabilmesi için Eulerian-Lagrangian yaklaşımına dayanan üç boyutlu model geliştirilmiştir. Soğuk akış simülasyonlarında, sürükleme modelinin ve statik yatak yüksekliğinin akış hidrodinamiği (basınç ve hız profilleri, parçacık kosantrasyonu) üzerine etkisi incelenmiştir. Wen-Yu/ Ergun ve Energy minimization multi-scale (EMMS) modelleri sürüklenme kuvvetinin akış üzerindeki etkisini incelemek için seçilmiştir. Statik yatak yüksekliğinin artışıyla, basınç düşüşü ve parçacık yoğunluğu artmıştır. Parçacık hızlarında büyük bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Her iki modelde de simülasyon sonuçları deneysel datalarla oldukça uyumlu bulunmuştur. Wen-Yu/ Ergun modeli yataktaki basıncın düşüş trendini daha iyi tahmin ederken; EMMS modeli sayısal olarak daha yakın sonuçlar vermiştir. Parçacık konsantrasyonları ve hızları incelendiğinde; her iki modelin de tipik core-annulus akışviiyapısını yakaladığı görülmüştür. Ayrıca, parçacık boyut dağılımının parçacık hacimsel yoğunluğuna ve hızına olan etkisi de incelenmiştir.Reaktif oksijence zengin ve oksi yanma simülasyonlarında; tahmin edilen basınç, sıcaklık ve emisyon dataları deneysel datalarla doğrulanmış ve uyumlu bulunmuştur. Ayrıca, yakıcıdaki gaz konsantrasyonlarının dağılımı ve akış hidrodinamiği de numerik olarak incelenmiştir. Oksijen derişiminin % 21’den % 28’ e artmasıyla, yakıcı içindeki sıcaklıklar iki farklı atmosfer için de artmıştır. Bu artış yakıcıdaki gaz viskozitesini arttırmış ve bunun sonucunda yüksek oksijen konsantrasyonlarında yüksek basınç düşüşleri görülmüştür. CO emisyonu hariç tüm emisyonlar oksijen derişiminin artışıyla artmıştır. Core-annulus akış yapısı reaktif deneylerde de gözlemlenmiştir. Tüm durumlarda duvar bölgesinde parçacık konsantrasyonları yüksek olurken; core bölgesinde en düşüktür. Parçacık hızları core bölgesinde yukarı yönlü ve maksimumken; duvar bölgesinde çok daha düşük hatta bazı durumlarda negatiftir.Deneysel ve numerik çalışmalar sonucunda; düşük emisyon değerleri ve yüksek yanma verimi ile Oksi yanmanın faydalı bir CO2 tutma teknolojisi seçeneği olduğu düşünülmektedir.

Oxygen-enriched and oxy-combustion appear as promising options for CO2 capture. In this study, influence of oxygen concentration in the inlet oxidant on lignite oxygen-enriched and oxy-combustion has been experimentally and numerically investigated in a 30 kWth circulating fluidized bed reactor (CFB). Oxygen concentrations range from 21% to 28% for both cases while recycled flue gas (RFG) ratios vary between 0.72 and 0.63 in the oxy-combustion case.In the experiments, the influence of oxygen concentration in the combustion atmosphere on temperature, gaseous emissions and carbon based combustion efficiency were investigated by keeping excess oxygen ratio constant at 1.45 for both atmospheres. Temperatures in the combustor increase with increasing O2 concentration. CO2 emissions are much higher in O2/ RFG combustion. CO and N2O emissions decrease with O2 enrichment while NO and SO2 emissions are promoted for both modes. Under O2/ RFG mode CO, NO, N2O and SO2 mass concentrations (mg/ MJ) are lower compared to O2/ N2 mode. Higher oxygen concentrations increase combustion efficiencies for both cases. Similar O2 concentrations result in similar combustion efficiencies.A 3-D model based on Eulerian-Lagrangian approach was developed for simulation of the CFB system under cold flow, oxygen-enriched and oxy-combustion conditions. In the cold flow simulations, the influences of bed inventory and drag model on flow hydrodynamics were investigated considering pressure and velocity profiles and particle concentration. Two advanced drag models, namely Energy minimization multi-scale (EMMS) and Wen-Yu/ Ergun were selected for this study. With increasing bed inventory pressure drops and solid concentration increase. The axial particle velocities slightly change with bed inventory. The comparison of simulation results with experimental measurements resulted in good agreement with both models. Wen-Yu/ Ergun model has better predicted qualitatively the correct decreasing pressure trend. However, the EMMS based drag model shows better prediction in the pressure distribution of the CFB riser quantitatively. The profiles of particle volume fraction and axial velocity demonstrate that the core-annulus flow pattern was captured by both models. The influence of particle sizeixdistribution on particle volume fraction and particle velocity profiles is also investigated with two drag models.In the reactive oxygen-enriched and oxy-combustion simulations, the predicted results of gas emissions, pressure and temperature profiles along the combustor were validated with experimental results for each case. A good agreement between the predicted and measured data was achieved regarding gas emissions, pressure and temperature distributions along the combustor. Moreover, the quantitative flue gas distributions and the hydrodynamics of the CFB system are examined in terms of radial velocity and particle concentration distributions. As O2 concentration in the inlet oxidant increases from 21% to 28%, temperature levels in the combustor increase for both atmospheres. Thus, it results in increase of viscosity of inlet gas leading to higher pressure drops at higher O2 concentrations. CO2 is much greater in O2/ RFG combustion mode compared to O2/ N2 mode as expected. All gas emissions increase with oxygen enrichment except for CO under both O2/ N2 and O2/ RFG cases. Typical core-annulus flow structure is captured well. The highest particle concentrations are observed near the walls and the lowest at the core region for all O2 concentrations. Particle velocities are upward and maximum at the core region while lower or even negative particle velocities are predicted near the wall region.Oxy-combustion results are considered as the most favorable option for CO2 capture along with the competitive combustion efficiencies and less emissions per unit energy.
Keywords: CFB; CPFD; Dolaşımlı akışkan yatak; Drag model; Eulerian-Lagrangian approach; Eulerian-Lagrangian yaklaşımı; Lignite; Linyit; Makine mühendisliği; Mechanical engineering; MP-PIC approach; MP-PIC yaklaşımı Oxy-combustion; Oksi yanma; Oksijence zengin yanma; Oxygen-enriched combustion; Sürükleme kuvveti