Analysis of a pressurized oxy-fuel fluidized bed combustion system for domestic coal fuels

Tezin amacı, yerli kömürlerle beslenen basınçlı oksi-yanma akışkan yataklı bir yakıcının sayısal olarak incelenmesidir. Çalışma, deneysel ve sayısal çalışma olmak üzere iki bölümde yürütülmüştür. Deneysel bölümde, değişen oksijen oranlarıyla oksi-yanmanın kullanıldığı kömürün yanma özellikleri incelenmiştir. Daha sonra sistemin sıcaklık, basınç, hız profilleri ve emisyonları sayısal olarak incelenmiş ve sayısal sonuçlar CFD yöntemiyle Barracuda yazılımı kullanılarak modellenmiştir.Yanma, oksi-yanma ve piroliz ortamındaki TGA deneyleri ile yanmanın başlangıç ve bitiş sıcaklığı, maksimum yanma sıcaklığı vb. kömür özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca eksenel basınç dağılımı için soğuk akış deneyleri yapılmıştır. Bu deneyler sayısal çözümlerle karşılaştırılmış ve sonuçların birbiriyle uyumlu olduğu gözlenmiştir. Bunun yanında akışkan yatak içerisinde bulunan kumun parçacık hacim yoğunlukları ve farklı basınç koşullarında minimum akışkanlaşma hızları iki farklı sürüklenme modeli kullanılarak incelenmiştir. Basınçlı akışkan yatak sistemi, iki farklı basınç koşulunda (1 ve 5 bar) ve değişen oksijen oranları ile oksi-yanma ve hava ortamında deneylerle incelenmiştir. Deneysel sonuçların sayısal olarak validasyonu yapılmıştır. CO2 yakalama, kömür yanması için oksi yanma sistemi kullanılarak arttırılabilir. Temiz kömür kullanımı için CO2 yakalanması önemli bir prosestir. Bunun yanında, akışkan yatağın basınçlandırılması da CO2 yakalama verimini artıracaktır.Basınçlı oksi yakma sistemleri üzerine özellikle sayısal olarak sınırlı sayıda çalışma vardır. Bu tez çalışması, basınçlı oksi-yanma akışkan yatak sistemlerinin deneysel ve sayısal modellemesi konusundaki literatürdeki boşluğu doldurmaya ve temiz kömür yakma sistemlerinin gelişmesine katkı sağlamıştır.--------------------The objective of the thesis is the numerical analysis of an oxy-fuel pressurized fluidized bed combustor fueled by domestic coals. The study was conducted in two parts which are experimental and numerical study. In the experimental part, the combustion characteristics of coal under air and oxy-combustion conditions were investigated. Then, temperature, pressure, velocity profiles, and emissions of the system were examined and these values were compared with numerical results by CFD modeling using Barracuda software. The coal characteristics including ignition temperature, the end temperature of the combustion, maximum combustion temperature were determined with the TGA experiments under the combustion, oxy-combustion, and pyrolytic ambient. Then, the cold flow experiments were performed for the axial pressure distribution at different volumetric flow rates. These experiments were compared with the numerical solutions and the results were in good agreement with each other. In addition, the particle volume fractions and minimum fluidization velocities under different pressure conditions with two different drag models were examined for the sand in the fluidized bed.The pressurized fluidized bed system was investigated with air, oxy-combustion with varying oxygen contents in the combustion environment under two different pressure conditions (1 and 5 bar). The experimental results were compared numerically. The CO2 capture is enhanced using the oxy-combustion system for coal combustion. It is significant for clean coal utilization. Also, pressurized condition in a fluidized bed increases the efficiency of the CO2 capture.There are limited studies especially numerically on pressurized oxy-combustion systems in literature. In this thesis study, it is also aimed to contribute to increase knowledge on clean coal utilization systems and fill the gap in the literature on experimental and numerical modeling of pressurized oxy-combustion fluidized bed systems.