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

Combus ombustion ion Modeling odeling for or Indus ndustrial ial Systems ems Niveditha Krishnamoorthy CD-adapco niveditha.krishnamoorthy@cd-adapco.com

Out Outline line • Combustion capabilities of STAR-CCM+ • Modeling of process heaters, crackers, reformers – Reacting Channel Co-simulation (STAR-CCM+ version 9.04) • Summary

Indus ndustrial ial Combus ombustion ion Systems ems Burners, Boilers, Coal, Biomass Furnaces, Combustion Process Heaters Flares, Incinerators, Thermal Oxidizers Gas Turbines

Per erfor ormance mance and and Des esign ign Cons onsider iderations ions Combus'on ¡Systems ¡ System ¡Level ¡ Fuel ¡Flexibility, ¡ Thermo-­‑acous'c ¡ Cost ¡ Emissions ¡ Mechanical ¡Durability ¡ Flame ¡Stability ¡ Instability ¡ Mul'-­‑scale, ¡Mul'-­‑physics ¡Coupling ¡ Unit ¡Level ¡ Fluid ¡Dynamics ¡ Combus'on ¡Chemistry ¡ Heat ¡Transfer ¡

Per erfor ormance mance and and Des esign ign Cons onsider iderations ions Combus'on ¡Systems ¡ System ¡Level ¡ Fuel ¡Flexibility, ¡ Thermo-­‑acous'c ¡ Mechanical ¡ ¡ Cost ¡ Emissions ¡ Flame ¡Stability ¡ Instability ¡ Durability ¡ • Lower ¡life-­‑cycle ¡ • Component ¡ ¡ UHC ¡ Flame ¡shape ¡ • • cost ¡ temperature ¡ Soot ¡ Flame ¡loca8on ¡ • • • Lower ¡ Nox ¡ Flash-­‑back/ ¡blow-­‑off ¡ • • opera8onal ¡cost ¡ CO ¡ Gaseous/liquid ¡Fuels ¡ • • Unit ¡Level ¡ Fluid ¡Dynamics ¡ Combus'on ¡Chemistry ¡ Heat ¡Transfer ¡ Flow ¡and ¡mixing ¡ • Fuel ¡formula8on ¡ • Conduc8on ¡ • Swirlers ¡ Opera8ng ¡condi8ons ¡ • Convec8on ¡ • Bluff ¡bodies ¡ Chemical ¡kine8cs ¡ • Radia8on ¡ • Flame-­‑Flame ¡interac8on ¡ Thermodynamics ¡ •

STAR-CCM+ for Reacting Flows Multicomponent Lagrangian Multi-phase Eulerian Multi-phase Surface Chemistry Gas - Liquid - Multicomponent Gas - Detailed mechanism - Non-premixed - Single component - Non-premixed - Premixed - Multicomponent - Premixed - User-defined reactions - Partially- - Partially-premixed premixed - Solid Emissions - Multicomponent - Single component - Multicomponent Multicomponent Liquid - Soot - Non-premixed Liquid - Method of - Coal - Partially-premixed Moments - Interphase Reactions - Non-premixed - Two- - Mass transfer - Partially- Equation - Reaction premixed Model - Nox - Thermal - Prompt - Fuel

Combus ombustion ion Regimes gimes and and Flame lame Types pes Wake Stabilized Momentum Driven Buoyancy Driven • Premixed Flames • Non-Premixed Flames • Partially-Premixed Flames

Combus ombustion ion Equipment quipment in in CPI/Oil Oil and and Gas Gas Modeling ¡of ¡Process ¡side ¡ • 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 3-­‑D ¡ ¡ ¡ ¡vs ¡ ¡1-­‑D ¡ – Emissions – Conversion rate Computa8onally ¡ Computa8onally ¡ expensive ¡ less ¡expensive ¡

Fir FireB eBox Side ide Modeling odeling • 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 C B A A: Primary Injector Spacing C: Primary Inj. Nozzle Angle B: Burner Tile Angle Optimate variable name (Port_DisY) Optimate variable name (Port_Angle) Optimate variable name (Tile_Tilted_Angle) Minimum: 25 mm Minimum: 1 Minimum: 1 Maximum: 250 mm Maximum: 20 Maximum: 35 Resolution: 50 Resolution: 10 Resolution: 10 E D F D: Primary ports angle spacing in circular F: Side nozzle angle spacing in circular E: Side Inj. nozzle angle pattern pattern Optimate variable name (Angle_Side_Port) Optimate variable name (Rot_Side_Port) Optimate variable name (Rot_Main_Port) Minimum: 1 Minimum: -120 Minimum: 5 Maximum: 30 Maximum: 60 Maximum: 45 Resolution: 10 Resolution: 50 Resolution: 11

Bur urner ner Opt Optimiz imization: ion: Ongoing Ongoing Front View Side View Baseline Geometry Secondary Primary Design 115 Secondary Primary Iso-contour or stoichiometric mixture fraction

Proces ocess Side ide Modeling odeling • Reactant Conversion/Product Recovery – Process stream temperature – Single pass/multi-pass – Steam to hydrocarbon ratio in the feed – Coking Optimization of operating conditions *Effect of steam to methane ratio on methane conversion • Kinetics of Process Side Reactions – Detailed mechanisms – Reduced mechanisms – User-defined • Langmuir-Hinshelwood Kinetics etc. Optimization of Reaction Kinetics *Effect of steam to methane ratio on hydrogen recovery *International Journal of Chemical Engineering and Applications, Vol. 2 , No. 3 , June 2011

React eacting ing Channel hannel Co-S o-Simula imulation ion An elegant way to fully couple Firebox side and Process side • Gas-Phase: [ FireBox Side] – 3-D, turbulent flow – Combustion models – Heat transfer Process ¡ Side ¡ • Reacting Channel: [Process Side] – 1-D Plug Flow Reactor (PFR) – Inlet composition, temperature – Process-side reactions Burner ¡

Fir Firebo box x – – Proces ocess Side ide Coupling oupling Outer ¡Tube ¡Wall ¡ 3-­‑D ¡ 1-­‑D ¡ Fire ¡Box ¡Side ¡ Process ¡Side ¡ Convec'on ¡ • Conduc'on ¡ • Convec'on ¡ • -­‑ ¡heat ¡transfer ¡coefficient ¡ ¡ ¡ Radia'on ¡ • (h ¡= ¡fn( ¡Nu, ¡f)) ¡ -­‑ ¡wall ¡temperature ¡ ¡ -­‑ ¡channel ¡bulk ¡temperature ¡ Heat ¡Flux ¡Balance ¡

Out Output put from om Co-s o-simula imulation: ion: Fir Firebo box x Side ide Net ¡Heat ¡Transfer ¡at ¡the ¡wall ¡ Gas ¡Phase ¡Temperature ¡ Wall ¡Temperature ¡

Out Output put from om Co-s o-simula imulation ion :P :Proces ocess Side ide Axial ¡distribu8on ¡of ¡Temperature, ¡Heat ¡Flux, ¡and ¡Species ¡Concentra8ons ¡ CH4 Mass Fraction H2 Mass Fraction

Summary • Ever expanding application coverage – Process heaters, burners, furnaces, and crackers – Chemical vapor deposition – Rocket engines, high-speed jet engines, and gas turbines • 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