Combus ombustion ion Modeling odeling for or Indus ndustrial - - PowerPoint PPT Presentation

Combus

• mbustion

ion Modeling

• deling for
• r

Indus ndustrial ial Systems ems

Niveditha Krishnamoorthy CD-adapco

niveditha.krishnamoorthy@cd-adapco.com

• Combustion capabilities of STAR-CCM+
• Modeling of process heaters, crackers, reformers

– Reacting Channel Co-simulation (STAR-CCM+ version 9.04)

• Summary

Out Outline line

Indus ndustrial ial Combus

• mbustion

ion Systems ems

Gas Turbines Flares, Incinerators, Thermal Oxidizers Burners, Boilers, Furnaces, Process Heaters Coal, Biomass Combustion

Combus'on ¡Systems ¡ Emissions ¡ Fuel ¡Flexibility, ¡ Flame ¡Stability ¡ Thermo-­‑acous'c ¡ Instability ¡ Mechanical ¡Durability ¡ Cost ¡ System ¡Level ¡ Combus'on ¡Chemistry ¡ Heat ¡Transfer ¡ Fluid ¡Dynamics ¡ Mul'-­‑scale, ¡Mul'-­‑physics ¡Coupling ¡ Unit ¡Level ¡

Per erfor

• rmance

mance and and Des esign ign Cons

• nsider

iderations ions

Combus'on ¡Systems ¡ Emissions ¡ Fuel ¡Flexibility, ¡ Flame ¡Stability ¡ Thermo-­‑acous'c ¡ Instability ¡ Mechanical ¡ ¡ Durability ¡ Cost ¡

• UHC ¡
• Soot ¡
• Nox ¡
• CO ¡
• Flame ¡shape ¡
• Flame ¡loca8on ¡
• Flash-­‑back/ ¡blow-­‑off ¡
• Gaseous/liquid ¡Fuels ¡
• Component ¡ ¡

temperature ¡

System ¡Level ¡

Combus'on ¡Chemistry ¡ Heat ¡Transfer ¡ Fluid ¡Dynamics ¡

Unit ¡Level ¡

• Flow ¡and ¡mixing ¡

Swirlers ¡ Bluff ¡bodies ¡ Flame-­‑Flame ¡interac8on ¡

• Fuel ¡formula8on ¡
• Opera8ng ¡condi8ons ¡
• Chemical ¡kine8cs ¡
• Thermodynamics ¡
• Conduc8on ¡
• Convec8on ¡
• Radia8on ¡
• Lower ¡life-­‑cycle ¡

cost ¡

• Lower ¡
• pera8onal ¡cost ¡

Per erfor

• rmance

mance and and Des esign ign Cons

• nsider

iderations ions

STAR-CCM+ for Reacting Flows

Multicomponent Gas

• Non-premixed
• Premixed
• Partially-

premixed

Multicomponent Liquid

• Non-premixed
• Partially-

premixed

Surface Chemistry

• Detailed mechanism
• User-defined reactions

Emissions

• Soot
• Method of

Moments

• Two-

Equation Model

• Nox
• Thermal
• Prompt
• Fuel

Eulerian Multi-phase

• Multicomponent Gas
• Non-premixed
• Premixed
• Partially-premixed
• Multicomponent

Liquid

• Non-premixed
• Partially-premixed
• Interphase Reactions
• Mass transfer
• Reaction

Lagrangian Multi-phase

• Liquid
• Single component
• Multicomponent
• Solid
• Single component
• Multicomponent
• Coal

Combus

• mbustion

ion Regimes gimes and and Flame lame Types pes

Momentum Driven Buoyancy Driven Wake Stabilized

• Premixed Flames
• Non-Premixed Flames
• Partially-Premixed Flames

• Application

– Process heaters – Cracking furnaces – Steam reformers

• Modeling Challenges

– Firebox side has multiple burners – Process side has many tubes – Full 3-D modeling is computationally intensive

• Performance Considerations

– Uniform heat distribution – Emissions – Conversion rate

Combus

• mbustion

ion Equipment quipment in in CPI/Oil Oil and and Gas Gas

Modeling ¡of ¡Process ¡side ¡

Computa8onally ¡ expensive ¡ Computa8onally ¡ less ¡expensive ¡

3-­‑D ¡ ¡ ¡ ¡vs ¡ ¡1-­‑D ¡

Fir FireB eBox Side ide Modeling

• deling
• FireBox design requires good flow and heat distribution
• Burner design and placement
• Burner geometry optimization often based on:
• Flame height, flame shape/volume
• Temperature/heat flux profiles
• Emissions

Fir FireB eBox: : Bur urner ner Des esign ign Opt Optimiz imization ion

A B C

A: Primary Injector Spacing Optimate variable name (Port_DisY) Minimum: 25 mm Maximum: 250 mm Resolution: 50 B: Burner Tile Angle Optimate variable name (Tile_Tilted_Angle) Minimum: 1 Maximum: 35 Resolution: 10 C: Primary Inj. Nozzle Angle Optimate variable name (Port_Angle) Minimum: 1 Maximum: 20 Resolution: 10

D

D: Primary ports angle spacing in circular

pattern Optimate variable name (Rot_Main_Port) Minimum: 5 Maximum: 45 Resolution: 11

E

E: Side Inj. nozzle angle Optimate variable name (Angle_Side_Port) Minimum: 1 Maximum: 30 Resolution: 10

F

F: Side nozzle angle spacing in circular pattern Optimate variable name (Rot_Side_Port) Minimum: -120 Maximum: 60 Resolution: 50

Bur urner ner Opt Optimiz imization: ion: Ongoing Ongoing

Baseline Geometry Design 115 Side View Front View Iso-contour or stoichiometric mixture fraction

Secondary Primary Secondary Primary

• Reactant Conversion/Product Recovery

– Process stream temperature – Single pass/multi-pass – Steam to hydrocarbon ratio in the feed – Coking Optimization of operating conditions

• Kinetics of Process Side Reactions

– Detailed mechanisms – Reduced mechanisms – User-defined

• Langmuir-Hinshelwood Kinetics etc.

Optimization of Reaction Kinetics

Proces

• cess Side

ide Modeling

• deling

*Effect of steam to methane ratio on methane conversion *Effect of steam to methane ratio on hydrogen recovery *International Journal of Chemical Engineering and Applications, Vol. 2 , No. 3 , June 2011

• Gas-Phase: [ FireBox Side]

– 3-D, turbulent flow – Combustion models – Heat transfer

• Reacting Channel: [Process Side]

– 1-D Plug Flow Reactor (PFR) – Inlet composition, temperature – Process-side reactions

React eacting ing Channel hannel Co-S

• -Simula

imulation ion

Burner ¡ Process ¡ Side ¡

An elegant way to fully couple Firebox side and Process side

Fir Firebo box x – – Proces

• cess Side

ide Coupling

• upling

Fire ¡Box ¡Side ¡ Process ¡Side ¡ Outer ¡Tube ¡Wall ¡ 3-­‑D ¡ 1-­‑D ¡

• Convec'on ¡
• Conduc'on ¡
• Convec'on ¡
• Radia'on ¡
• ­‑ ¡heat ¡transfer ¡coefficient ¡ ¡ ¡

(h ¡= ¡fn( ¡Nu, ¡f)) ¡

• ­‑ ¡wall ¡temperature ¡ ¡
• ­‑ ¡channel ¡bulk ¡temperature ¡

Heat ¡Flux ¡Balance ¡

Out Output put from

• m Co-s
• -simula

imulation: ion: Fir Firebo box x Side ide

Gas ¡Phase ¡Temperature ¡ Wall ¡Temperature ¡ Net ¡Heat ¡Transfer ¡at ¡the ¡wall ¡

Out Output put from

• m Co-s
• -simula

imulation ion :P :Proces

• cess Side

ide

Axial ¡distribu8on ¡of ¡Temperature, ¡Heat ¡Flux, ¡and ¡Species ¡Concentra8ons ¡

CH4 Mass Fraction H2 Mass Fraction

• Ever expanding application coverage

– Process heaters, burners, furnaces, and crackers – Chemical vapor deposition – Rocket engines, high-speed jet engines, and gas turbines

Summary

• Range of combustion models available

– Single and multi-component solids, liquids, gases – Simple, tabulated and detailed chemistry – Co-simulation for Firebox-Process side coupling

• Solver capabilities to handle complex flow problems

– DARS-CFD solver for stiff chemistry – Density based solver for high speed flows – Advanced initialization and convergence accelerator