Geri Dön

Numerical model of flue gas desulfurization spray tower in power plant

Enerji santrallerinde baca gazı kükürt arıtma sistemlerinin nümerik modeli

PDF İndir

  1. Tez No: 507794
  2. Yazar: OSMAN GÖZÜTOK
  3. Danışmanlar: DR. BAYRAM ÇELİK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Chemistry, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 85

Özet

Baca gazı kükürt giderme sistemleri, enerji santrallerinin kurulumu sırasında veya santral kurulumu sonrasında değiştirilen çevre düzenlemelerindeki gerekli şartları sağlayamadıkları için yapılmaktadır. Türkiye'de kömür, ana enerji kaynağı olduğundan pek çok enerji santrali kömür-rezerv bölgelerinde kurulmuştur. Enerji santralleri kurulurken, farklı küresel şirketler tarafından birçok FGD sistemi de inşa edildi. Baca gazının çevreye salınımdan önce temizlenebilmesi için şirketler kendilerine özgü FGD teknolojilerine sahiptir. Bu teknolojiler sürekli geliştirilerek yapılan patent başvuruları ile de korunma altındadır. Babcock & Wilcox, Lenthes Bischoff GMBH, Mitsubishi Heavy Industires ve Noell-KRC Umwelttechnik GMBH şirketleri 1990'larda Kemerköy, Yatağan, Afşin ve Orhaneli enerji santralleri inşa ettikleri bilinen FGD şirketleridir. Bu santrallerin güçleri 210 MW-360 MW arasında değişmektedir. Günümüze kadar çok sayıda enerji santrallerinde gaz yıkayıcı kolon sistemleri kurulmuş olsa da, hala davranışını doğru tahmin edecek bir uygulama mevcut değildir. Bu çalışmanın zorluğu, kolon içerisindeki akışın ayrıntılı çalışılarak optimum kolon tasarımın gerçekleştirilmek istenmesidir. FGD sistemlerinin tasarım isterleri arasında, baca gazının yüksek (%90 ve üzeri) oranlarda temizlenmesi yani maksimum kükürt giderim verimi ve minimum basınç düşümü önceliklidir. Bu tezde baca gazı kulesinin nümerik modeli gerçek ölçekli bir enerji santraline uygulanmış ve kolon performansı araştırılmıştır. Yapılan sayısal analizlerin sonuçlarını karşılaştırmak için bazı tasarım faktörleri belirlenmiştir. Bunlar (1) sprey seviyesi eklenmesi, (2) Babcock & Wilcox tarafından patentlenen tepsi gibi delikli levhanın tanımlanması ve (3) kolon duvarından dolayı baca gazı veya bulamaç sıvısı sızıntılarını azaltmak için bir halka yerleştirilmesidir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) tekniklerinin gelişmesi ve hesaplama gücünün artması ile FGD sistem tasarımlarında da sayısal analizler günümüzde çokça kullanılan yöntemlerden biri haline gelmiştir. HAD analizi sonucunda, detaylı akış alanı tahmini değerlerine ulaşılır ve bu akış dinamiklerinin daha iyi anlaşılmasını sağlar. Tezin giriş bölümünde verilen literatür araştırmasında, sayısal modelleme ile yapılan çalışmaların yanı sıra laboratuvar ölçekli test sistemleri ve matematiksel modelleme çalışmalara yer verilmiştir. Literatürdeki FGD sistemleri üzerine yapılan çalışmalar araştırılarak tez içeriğinde referans olarak verilmiştir. Fiziksel sistem ve basitleştirmeler bölümünde FGD sisteminin modellenme aşamaları başlıklar halinde verilmiştir. Özetleyecek olursak, modelleme adımları sırasıyla şu şekildedir: geometri oluşturmak, akış hacmi çıkartmak, akış hacminin sonlu elemanlara bölmek yani çözüm ağı oluşturmak ve model tanımlamaya hazır hale gelen geometride gerçekleştirilmek istenen analize uygun basitleştirmelerde bulunup sınır şartları da verilerek çözdürülür. Baca gazı sisteminin modelleme adımları da bu verilen sıralama da olmuştur. FGD sistemi, kolon geometrisi ve sprey seviyelerindeki borulamalar öncelikli olarak Siemens NX CAD program yardımıyla oluşturulmuştur. Sprey seviyeleri geometrideki basitleştirme nedeniyle yüzey olarak modellenmiştir. Hazırlanan geometri Ansys-SpaceClaim programına aktarılarak gerekli tanımlamalar yapılmış ve Ansys-Meshing programına gönderilmiştir. Ansys-Meshing de uygun olacak büyüklükte çözüm ağı oluşturulmuş ve sınır şartlarının tanımlamasında gerekli yüzeyler isimlendirilmiştir. Modelleme ve çözücü olarak kullanılan Fluent programında açılan çözüm ağında gerekli tanımlamalar yapılarak çözüm sonrasında sonuçlar alınmıştır. Literatürden edinilen bilgiler ile baca gazı kükürt arıtma sistemi kabul edilen bazı basitleştirmeler ile enerji santrali ölçeğinde modellenmiştir. Bu basitleştirmeler, püskürtülen damlacıkların yoğunluğunun baca gazına oranla çok daha büyük olduğu ve bunun sonucu olarak da diğer kuvvetlerin sürüklenme kuvvetinin yanında ihmal edebileceğidir. Damlacıklara etki eden sürüklenme kuvveti hesabında ise damlacıkların küresel formda olduğu kabul edilen yaklaşım kullanılmıştır. Aynı zamanda baca gazı ile iki-yönlü etkileşim gerçekleştirdiği diğer bir kabul olmuştur. İki fazlı akış için Euler ve Lagrange yaklaşımları matematik modellemede genellikle kullanılır. Lagrange yaklaşımın avantajı, damlacıkların özellikleri (çap, yoğunluk, vs.) birbirlerinden farklı olabilmesidir. Bu çalışmada da Euler-Lagrange yaklaşımı bu sebeplerden ötürü kullanılmıştır. Gaz fazı Euler olarak tanımlanırken, püskürtülen damlacıklar Lagrange yörünge yaklaşımı ile ayrık faz olarak modellenmiştir. Ayrık fazın modellenmesi ayrıntı olarak gerçekleşmektedir. Özellikle çalışılan model ölçeğinde çok fazla püskürteç olduğundan, toplamda 460 adet, her bir püskürtecin koordinat bilgisi ve özellikleri ile birlikte tanımlanması gerekmektedir. Bu işlem için MATLAB programı ve püskürteç özelliklerinin tanımlandığı Excel dosyası kullanılmıştır. Damlacıkların kolon duvarına çarptıktan sonra nasıl davranacağı modele eklenen UDF kodu ile yönetilmiştir. Duvara çarpan her bir damlacık geliş açısı ve hızı kullanılarak yansıma açısı ve hızı hesaplanır. Bu hesaplamalarda referans olarak Weiss ve Wieltsch'ın nümerik ve test çalışmaları alınmıştır. Öncelikle püskürteçler çalıştırılmadan analiz edilerek gaz fazı için yakınsama sağlanmıştır ve bunun sonuçları karşılaştırma yapılabilmesi için verilmiştir. Gaz fazı yakınsadıktan sonra ayrık faz zamana bağlı parçacık takibi ile birlikte aktif edilmiştir. Soğutucu bölge ve ikinci bölgedeki püskürteçler tüm analizlerde çalıştırılmışken, genellikle santrallerde yedek olarak bırakılan birinci seviyedeki püskürteçler tek bir analiz şartında çalıştırılmıştır. Tepsi modellenirken gözenekli-atlama sınır şartı tepsinin konumlandırıldığı yüzeyde uygulanmıştır. Gözenekli atlama için gerekli katsayılar literatürde %50 açıklık oranındaki delikli-plaka değerleri ve plaka üzerinde tahmini olarak birikecek bulamaç yüksekliği değerleri girilmiştir. Geometriye yüzük eklenmesi ise model geometrisinde yüzük yüzeyi oluşturularak, bu yüzeye duvar sınır şartı tanımlanmıştır. Son iki bölüm olan sonuçlar ve yorumlar bölümde ise, her bir analiz sonucu hız ve basınç figürleri ile birlikte verilmiş ve karşılaştırmalı grafikler ile tasarım faktörlerinin etkileri özetlenmiştir. Bu bölümlerden tepsideki basınç düşümünün baca fazı akışını düzeltici etkisi olduğu görülmektedir. Ancak bu basınç düşümü işletme maliyetlerini artıracaktır. Baca gazı kükürt arıtma sistemlerinin kükürt arıtma veriminin düşmesi özellikle kolon duvarlarında savuşan gaz neden olmaktadır. Duvar bölgelerine yakın püskürteç konulamaması ve püskürülen bulamacın duvardan akıp gitmesi verimsizliğe sebep olmaktadır. Bu sebeple önerilen tasarıma yüzük eklenmesi analiz sonuçlarından da açıkça duvara yakın bölgelerde hızlanarak kükürt giderimi olmadan kaçan baca gazının kolon merkezine doğru toparlayarak bulamaç ile buluşmasına yardımcı olur. Ek kısmında baca gazı sistemlerinde modelleme öncesinde yapılabilecek basit uygulamalar verilmiş ve kullanılan UDF kodu ile sonuç olarak alınan fakat raporda grafik olarak verilen değerler paylaşılmıştır. Ayrıca bu çalışmada konik püskürteç tanımlandığı için, ayrıntılı olarak konik püskürteç için tanımlanması gereken parametreler açıklamaları ile birlikte Ansys Fluent Kullanıcı dokümanından özetle aktarılmıştır.

Özet (Çeviri)

Flue gas desulphurization system is designed by many companies for power plant system due to the environmental regulations. As coal is the main energy source, many power plants were built in coal-reserve areas of Turkey. Besides the plants were built, many FGD systems were also built by different global companies. Every company has its own FGD technology to clean the gas before releasing from the flue. These technologies are developed and protected by patent applications. The Babcock & Wilcox Company, Lenthes Bischoff GMBH, Mitsubishi Heavy industries and Noell-KRC Umwelttechnik GMBH are well-known FGD companies which they were built Kemerköy, Yatağan, Afşin and Orhaneli power plants in the 1990s. These plants powers are various from 210 MW to 360 MW. FGD systems have been installed in as many power plants as ever, but there is still no method to accurately predict their behavior. It is desired to study the flow in the column in detail to achieve optimum column design, which is its difficulty. Among of FGD systems design requirements, cleaning of flue gas at high (90% and above) rates, maximum desulphurization and minimum pressure drop, is a priority. In this thesis numerical model of the flue gas tower is applied to a real scale power plant and investigate the performance of the column. Some design factors are selected to compare the results. These are (1) adding spray level, (2) integrate perforated plate, like Babcock & Wilcox patented tray and (3) putting a ring to reduce leaks either flue gas or slurry liquid due to the column wall. Numerical analyses in FGD system designs have become one of the most widely used methods today due to the development of computational fluid dynamics (CFD) techniques and increase in computational power. As a result of the CFD analysis, detailed flow field estimates are obtained, and this provides a better understanding of dynamics. In the literature review given in the introduction part of the thesis, besides numerical modeling studies, laboratory scale testing and mathematical modeling studies were included. Studies on FGD systems in the literature have been investigated and referenced in the thesis content. In the section on physical systems and simplifications, the modeling steps of the FGD system are given in titles. To summarize, the modeling steps are respectively solved by creating the geometry, extracting the flow volume, dividing the flow volume into the finite elements, meshing, and the geometry that is ready for model definition. Modeling steps of the flue gas system have also been given in this order. The FGD system, the column geometry, and piping in the spray levels were primarily created with Siemens NX cad program. Spray levels are modeled as surface due to simplification of the geometry. The prepared geometry was transferred to Ansys-SpaceClaim program and necessary definitions were made and sent to Ansys-Meshing program. Appropriate size meshing was created and necessary surfaces in the boundary definitions were also named. In Fluent program, it was solved by making appropriate definitions and results were obtained. The information obtained from literature and with some simplifications, the flue gas desulphurization system was modeled on the power plant scale. These simplifications are that the density of the sprayed droplets is much greater than the flue gas, and as a result, the forces can be neglected other than drag force. In the calculation of the drag force acting on the droplets, it is assumed that the droplets are in spherical form. At the same time, it was considered two-way interaction between the gas and liquid phases in the flue-gas column. Eulerian and Lagrangian approaches generally used for mathematical modeling of two-phase flow. The advantage of Lagrangian approach is that droplet physical properties (diameter, density, etc.) can differ in. In this thesis, Euler-Lagrange approach is used for these reasons. When the gas phase is defined as Euler, the droplets are modeled as a discrete phase by Lagrange trajectory approach. The modeling of the discrete phase is defined detailly. Especially since working FGD model has too many nozzles, a total of 460 nozzles, must be defined together with the position informations and the properties of each injection. For this process, MATLAB program and Excel file that define the injector properties are used. How the droplets will behave after hitting the column wall is governed by the added UDF code. Reflection angles and velocities are calculated by using the velocity and incidence angle of each droplet that hit the column wall. Numerical and test results of Weiss and Wieltsch were taken as reference in these calculations. First, FGD column was analysed without the injectors to provide convergence for the gas phase, and the results are given as a comparison. After the gas phase converges, the discrete phase is activated with unsteady particle tracking. While the quencher level and the second spray level are operated in all analyses, the first spray level, which usually reserves in power plants, is operated in a single analysis condition. When the tray is modeled, the porous-jump boundary condition is applied on the surface where the tray is located. The coefficients necessary for porous-jumping were found out from the literature with perforated-plate values of 50% porosity and estimated the height of slurry flow values to be accumulated on the plate were entered. If FGD column has a ring geometry, a ring surface was created in the model geometry, and wall boundary condition was defined for this surface. The results and interpretations are given in the last two sections, with each analysis of the resulting velocity and pressure figures, and the effects of comparative graphics and design factors are summarized. From these sections, it is seen that the pressure drop in the flow of the flue gas is observed as a corrective effect of flue gas distributions. However, this pressure drop will increase operating costs. Efficiency reduction of the desulfurization systems is mainly caused by colliding gases in the column walls. The inability to place a nozzle near the wall areas and the flow of the sprayed slurry from the wall cause inefficiency. Therefore, the design proposed by the ring addition analysis clearly shows that the flue gas escaping without desulfurization accelerates to the center of the column and helps to meet with the slurry. In the appendix, simple implementations that can be done before the modeling of the flue gas systems are given. UDF code for controlling droplet-wall interaction and some numerical results which were used to create figures were given in the appendix, too. In addition, since the study requires for defining a hollow-cone nozzle, the parameters to be defined for the hollow-cone nozzle, have been summarized from the Ansys Fluent User's Guide document along with explanations.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75499

    Püskürtmeli kurutucuda trona çözeltisi ile yapılan desülfürizasyon çalışmaları ve CFD simülasyonu

    Başlık çevirisi yok

    S.CELAL KARAKAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜLHAYAT NASÜN (SAYGILI)

  2. Tez No

    90613

    Baca gazlarından sitrat yıkama yöntemi ile SO2 giderimi

    Citrate process for flue gas desulfurization

    LEVENT AKYALÇIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    KimyaAnadolu Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SÜLEYMAN KAYTAKOĞLU

  3. Tez No

    533888

    Design of a heat exchanger with phase change material

    Faz değişim malzemesi içeren ısı değiştiricisinin tasarımı

    OZAN MERT BALCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    EnerjiDokuz Eylül Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET AKİF EZAN

  4. Tez No

    876283

    Isı borusu tabanlı bir atık ısı geri kazanım uygulaması

    A heat pipe based waste heat recovery application

    OYA YAŞAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAN KARABETOĞLU

  5. Tez No

    444200

    Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile reküperatör tasarımı ve ısıl analizi

    Designing recuperator and its thermal analysis with the method of computational fluid dynamics

    ONUR ÖZCAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜNER ÇOLAK

Geri Dön