Combustion using pure oxygen instead of air is an energy saving technology that can increase thermal efficiency by the improvement of burning rate and ultra high temperature flame, being used on the industrial spot. But information about it is not so enough yet. Flame figure, temperature distribution and emission concentration were measured with oxygen excess ratio and swirl number in a turbulent diffusion flame to investigate the combustion characteristics using pure oxygen. The results showed that flame figure became different as long as oxygen excess ratio varied and that concentration of NO and CO increased suddenly around ${\lambda}$=1.5.
A pure oxygen combustion technology is crucial in Carbon Capture and Storage (CCS) technology especially in capturing of $CO_2$, where CCS will reduce 9 $GtCO_2$ by 2050, which is 19% of the total $CO_2$ reduction amount. To make pure oxygen combustion feasible, a regenerative system is required to enhance the efficiency of pure oxygen combustion system. However, an existing air combustion technology is not directly applicable due to the absence of nitrogen that occupies the 78% of air. This study, therefore, investigates the heat and fluid flow in a regenerative system for pure oxygen combustion by using commercial CFD software, FLUENT. Our regenerative system is composed of aluminium packed spheres. The effect of the amount of packed spheres in regenerator and the effect of presence or absence of a bypass of exhaust gas are investigated. The more thermal mass in regenerator makes the steady-state time longer and temperature variation between heating and regenerating cycle smaller. In the case of absence of bypass, the regenerator saturates because of enthalpy imbalance between exhaust gas and oxygen. We find that 40% of exhaust gas is to be bypassed to prevent the saturation of regenerator.
KOGAS(Korea Gas Corporation) uses two-type vaporizers to send customers natural gas with imported LNG. In winter season, SMVs(SubMerged combustion Vaporizers) are mainly operated due to low seawater temperature. SMVs consume the natural gas of 1,520 $Nm^3/hr$ and emit a lot of $CO_2$ in winter time. If carbon taxes are activated on climate change, the tax burden will be severely heavy. Accordingly this work carried out numerical simulation with a commercail CFX code to investigate its possibility on the practical use of pure oxygen combustion of SMVs to reduce $CO_2$ and to improve its efficiency. First, a nozzle of a SMV's combustor is modelled. The combustion characteristics of Air/Fuel and Oxygen/Fuel are analyzed under folly insulated condition. Although we couldn't find the carbon reduction and the efficient elevation when the pure oxygen/fuel type was compared to the existing air/fuel one, we need a further study to investigate the effect of $CO_2$ recirculation.
An experimental study of oxygen enriched double inversed diffusion flame was conducted to understand the flame characteristics and radiation heat transfer. The infrared radiation meter was used to measure of various combination of fuel, air and pure oxygen. The results show that oxygen enriched double inversed diffusion flame is very effective to increase of thermal radiation and proper addition of pure oxygen in air flow can intensify thermal radiation of flame. And it can be found that oxygen enriched double inversed diffusion flame could give benefits of cost effective and very high energy.
Numerical study is conducted to grasp the flame structure and NO emissions for a wide range of oxy-fuel combustion (covering from air blown combustion to pure oxygen combustion) and for various mole fractions of recirculated $CO_2$ in $CH4-O_2/N_2/CO_2$ counterflow diffusion flames. Special concern is given to the difference of the flame structure and NO emissions between air blown combustion and oxy-fuel combustion w/o recirculated $CO_2$ and is also focused on chemical effects of recirculated $CO_2$. Air blown combustion and oxy-fuel combustion w/o recirculated $CO_2$ are shown to be considerably different in the flame structure and NO emissions. Modified fuel oxidation reaction pathways in oxygen-enriched combustion are provided in detail compared to those in air blown combustion w/o recirculated $CO_2$. The formation and destruction of NO through Fenimore and thermal mechanisms are also compared for air blown combustion and oxyegn-enriched combustion w/o recirculated $CO_2$, and the role of the recirculated $CO_2$ and its chemical effects are discussed. Importantly contributing reaction steps to the formation and destruction of NO are also estimated in oxygen-enriched combustion in comparison to air blown combustion.
The characteristics of combustion and radiation heat transfer of an oxygen-enhanced diffusion flame was experimentally analyzed. An infrared radiation heat flux gauge was used to measure the thermal radiation of various types of flames with fuel, air and pure oxygen. And the Laser Induced Incandescence (LII) technique was applied to characterize the soot concentrations which mainly contribute to the continuum radiation from flame. The results show that an oxygen-enhanced inverse diffusion flame is very effective in increasing the thermal radiation compared to normal oxygen diffusion flame. This seems to be caused by overlapped heat release rate of double flame sheets formed in inverse flame and generation of higher intermediate soot in fuel rich zone of oxygen-fuel interface, which is desirable to increase continuum radiation. And the oxygen/methane reaction at slight fuel rich condition (ø=2) in oxygen-enhanced inverse flame was found to be more effective to generate the soot with moderate oxygen availability.
Structure of edge flame established in a mixing layer, formed between two uniformly flowing pure $CH_4$ and pure $O_2$ streams, is numerically investigated by employing a detailed methane-oxidation mechanism. The numerical results exhibited the most outstanding distinction of using pure oxygen in the fuel-rich premixed-flame front, through which the carbon-containing compound is found to leak mainly in the form of CO instead of HC compounds, contrary to the rich $CH_4-air$ premixed flames in which $CH_4$ as well as $C_2H_m$ leakage can occur. Moreover, while passing through the rich premixed flame, a major route for CO production, in addition to the direct $CH_4$ decomposition, is found to be $C_2H_m$ compound formation followed by their decomposition into CO. Beyond the rich premixed flame front, CO is further oxidized into $CO_2$ in a broad diffusion-flame-like reaction zone located around moderately fuel-rich side of the stoichiometric mixture by the OH radical from the fuel-lean premixed-flame front. Since the secondary CO production through $C_2H_m$ decomposition has a relatively strong reaction intensity, an additional heat-release branch appears and the resulting heat-release profile can no longer be seen as a tribrachial structure.
An Experimental study of oxygen enriched double inversed diffusion flame was conducted to understand the flame characteristics and radiation heat transfer. The infrared radiation meter was used to measure of various combination of fuel, air and pure oxygen. The results show that oxygen enriched double inversed diffusion flame is very effective to increase of thermal radiation and proper addition of pure oxygen in air flow can intensity thermal radiation of flame. And it can be found that oxygen enriched double inversed diffusion flame could give benefits of cost effective and very high energy saving.
Characteristics of methane jet diffusion flames using pure oxygen with recirculating $CO_{2}$ as an oxidizer were investigated experimentally. A coflow burner was considered, and the diameter of confinement was larger than that of the coflow. No stabilized flame could be observed over 75% of $CO_{2}$ volume percent. A comparison between air and $O_{2}/CO_{2}$ mixture was made in terms of liftoff velocity, flame liftoff height, and blowout conditions. As results, more stable flame could be observed with $O_{2}/CO_{2}$ mixture for the case of having similar flame temperature.
Structure of edge flame established in a mixing layer, formed between two uniformly flowing pure $CH_4$ and pure $O_2$ streams, is numerically investigated by employing a detailed methane-oxidation mechanism. The numerical results exhibited the most outstanding distinction of using pure oxygen in the fuel-rich premixed-flame front, through which the carbon-containing compound is found to leak mainly in the form of CO instead of HC compounds, contrary to the rich $CH_4-air$ premixed flames in which $CH_4$ as well as $C_2H_m$ leakage can occur. Moreover, while passing through the rich premixed flame, a major route for CO production, in addition to the direct $CH_4$ decomposition, is found to be $C_2H_m$ compound formation followed by their decomposition into CO. Beyond the rich premixed flame front, CO is further oxidized into $CO_2$ in a broad diffusion-flame-like reaction zone located around moderately fuel-rich side of the stoichiometric mixture by the OH radical from the fuel-lean premixed-flame front. Since the secondary CO production through $C_2H_m$ decomposition has a relatively strong reaction intensity, an additional heat-release branch appears and the resulting heat-release profile can no longer be seen as a tribrachial structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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