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Modelling of radiative heat transfer in oxy-fuel combustion scenarios

Kez, Vitali (2022):
Modelling of radiative heat transfer in oxy-fuel combustion scenarios. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020516,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Modelling of radiative heat transfer in oxy-fuel combustion scenarios
Language: English
Abstract:

The oxy-fuel combustion of fossil fuels is a promising carbon capture technology for the design of new thermal power plants as well as retrofitting existing ones to reduce the emission of anthropogenic produced carbon dioxide into the atmosphere. The substitution of air with pure oxygen as the oxidizer and the recirculation of flue gas into the furnace lead to higher amounts of carbon dioxide and water vapor within the combustion chamber compared to air-firing systems, and, thus, strongly impact the thermal radiation by the gas phase. Especially, the erratic behavior of the absorption coefficients of these molecules in the infrared spectral range necessitates the use of a non-gray gas radiation model to accurately predict the radiative heat transfer in oxy-fuel combustion processes by means of numerical solution procedures. In this thesis, the statistical narrow-band and the narrow-band correlated-k models are used to provide the benchmark solutions for the assessment of various radiation models. The accuracy of wide-band and global models is investigated for three different geometries. The parameters of the wide-band models are based on the older spectroscopic database of the exponential wide-band model as well as the newer HITEMP 2010 spectroscopic database. The full-spectrum correlated-k and the weighted-sum-of-gray-gases models are considered to evaluate the performance of global radiation models. For the latter one, seven different parameter sets, derived for air and oxy-fuel conditions, are investigated to provide a recommendation for its possible application in commercially available CFD software. The first two 3D geometries represent a virtual gas turbine combustor with dry oxy-fuel combustion and a virtual furnace of a coal-fired power plant with air-firing, dry and wet oxy-fuel combustion conditions, respectively. Here, it was found that the accuracy of the NBCK model is sufficient to compute reference solutions with less computational effort. For short path lengths at high absolute pressures, all considered gas radiation models show similar accuracy. For long path lengths at atmospheric pressure, the considered pressure path lengths and the spectroscopic database used for the derivation of the radiative properties have a major influence on the accuracy of the simulation results. Here, the FSCK model and the WSGG model with the parameters of Bordbar et al. (2014), both based on the HITEMP 2010 spectroscopic database, are appropriate for modelling the gas radiation. The investigation of various approximations to model the radiative heat transfer in a gas-particulate mixture revealed that gas radiation can contribute up to 50% of the total radiation. Especially, the consideration of gas absorption in regions with lower temperatures is important to compute accurate radiative heat transfer. The approximation of particle scattering as strongly forward scattering via simpler models like Henyey-Greenstein function is sufficient to attain simulation results similar to the benchmark solutions, which were obtained with Mie theory. The application of gray Henyey-Greenstein phase functions obtained with Planck-mean weighted asymmetry factors showed a high accuracy with relative errors less than 10% in comparison to the benchmark solutions. The reduction of the spectral resolution of the radiative properties through applying a wide-band correlated-k or a full-spectrum correlated-k methodology, both based on the HITEMP 2010 spectroscopic database, yield a strong reduction in computational effort with almost no loss of accuracy. In summary, the full-spectrum correlated-k model with the mixture scheme of Modest and Riazzi (2005) in conjunction with gray particle properties is recommended for the use in numerical simulations of real oxy-fuel combustion applications due to its consistently high accuracy and reasonable computational expense for all considered oxy-fuel combustion scenarios.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Oxyfuel-Verbrennung fossiler Energieträger stellt eine vielversprechende Technologie zur Reduzierung des anthropogen erzeugten Kohlenstoffdioxidausstoßes neuer als auch bestehender Kraftwerke dar. Die Verwendung von reinem Sauerstoff und die Rückführung eines Anteils des Abgases in die Brennkammer bedingen im Vergleich zur Luftverbrennung einen erhöhten Anteil von Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf im Brennraum, der die thermische Gasstrahlung stark beeinflusst. Dabei zeigt vor allem der Absorptionskoeffizient dieser Moleküle einen stark schwankenden Verlauf über den zu berücksichtigenden Spektralbereich, so dass ein nicht-graues Strahlungsmodell zur genauen Berechnung der Strahlungswärmeübertragung bei Einsatz numerischer Lösungsverfahren verwendet werden muss. In dieser Arbeit werden Schmalbandmodelle zur Bestimmung der Referenzlösungen verwendet und anhand dieser die Genauigkeit der Breitband- und globalen Strahlungsmodelle für drei unterschiedliche Geometrien untersucht. Die Parameter der Breitbandmodelle werden auf Basis der Spektraldatenbank des Exponential Wide-Band Modells und der für Hochtemperaturanwendungen abgeleiteten Spektraldatenbank HITEMP 2010 bestimmt. Die Full-Spectrum Correlated-k und Weighted-Sum-of-Gray-Gases Modelle werden zur Beurteilung der Genauigkeit globaler Strahlungsmodelle betrachtet. Dabei werden sieben unterschiedliche Parametersätze für das Weighted-Sum-of-Gray-Gases Modell berücksichtigt, welche für Luft- und Oxy-fuel-Verbrennungsatmosphären hergeleitet wurden, und eine Empfehlung zu ihrem Einsatz in kommerziell verfügbaren CFD-Softwarepaketen gegeben. In den ersten beiden 3D Geometrien (virtuelle Gasturbinenbrennkammer mit trockener Abgasrezirkulation und virtuelle mit kohlebefeuerten Brennkammer mit Luft-, trockener und nasser Oxy-fuel-Verbrennungsumgebung) wurde festgestellt, dass das NBCK Modell sich zur Berechnung der Referenzlösungen aufgrund der sehr hohen Genauigkeit bei verringerter Rechenleistung eignet. Bei kurzen Pfadlängen und hohen Betriebsdrücken zeigen alle untersuchten Gasstrahlungsmodelle eine ähnliche Genauigkeit. Bei langen Pfadlängen und Atmosphärendruck weisen die verwendeten Spektraldatenbanken und die berücksichtigten Druck-Weglängen zur Ableitung der Strahlungseigenschaften eine große Bedeutung auf die Genauigkeit der Simulationsergebnisse auf. Dabei eignen sich das FSCK Modell und das WSGG Modell mit den Parametern von Bordbar et al. (2014), beide basierend auf der HITEMP 2010 Spektraldatenbank, zur genauen Beschreibung der Gasstrahlung. Die Untersuchung verschiedener Approximationen zur Modellierung der Strahlungswärmeübertragung eines Gas-Partikel-Gemisches zeigte, dass die Gasstrahlung bis zu 50% der Gesamtwärmestrahlung ausmachen kann und vor allem die Gasabsorption in kälteren Temperaturbereichen zur genauen Strahlungsberechnung berücksichtigt werden sollte. Die Betrachtung der Partikelstreuung als starke Vorwärtsstreuung mittels vereinfachter Modelle wie der Henyey-Greenstein Funktion zeigte eine hohe Genauigkeit im Vergleich zu den mit der Mie-Theorie bestimmten Referenzlösungen. Die Verwendung grauer Streuungsfunktionen, die über Planck-gemittelte Asymmetriefaktoren bestimmt werden, zeigte eine hohe Genauigkeit bei Abweichungen geringer als 10% von den Referenzlösungen. Eine Reduktion der spektralen Auflösung mittels der WBCK oder FSCK Methoden, basierend auf der HITEMP 2010 Spektraldatenbank, führte zu einer starken Verringerung der Rechenleistung bei gleichbleibender Genauigkeit. Zusammenfassend wird das Full-Spectrum Correlated-k Modell mit dem Mischungsansatz nach Modest und Riazzi (2005) in Verbindung mit grauen Partikelstrahlungseigenschaften für den Einsatz in numerischen Simulationen realer Oxyfuel-Verbrennungsanwendungen empfohlen, da dieses konsistent für alle untersuchten Oxyfuel-Verbrennungsszenarien eine hohe Vorhersagegenauigkeit und einen angemessenen Rechenaufwand aufwies.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 113 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institut für Energiesysteme und Energietechnik (EST)
TU-Projects: DFG|TRR129|TP C03 Dr. Ströhle T
Date Deposited: 16 Mar 2022 13:05
Last Modified: 16 Mar 2022 13:05
DOI: 10.26083/tuprints-00020516
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-205167
Referees: Epple, Prof. Dr. Bernd ; Consalvi, Prof. Dr. Jean-Louis
Date of oral examination: 12 January 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20516
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