Thermodynamic analysis of partial oxidation gas turbine technology

• Autorzy: Wróbel Marlena , Kalina Jacek

Warianty tytułu

PL

Analiza termodynamiczna technologii turbiny gazowej częściowego utlenienia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Partial oxidation gas turbine (POGT) differs from a typical gas turbine. There is used a chemical reactor in place of combustion chamber. In the reactor fuel is partially oxidized in sub-stoichiometric conditions. This type of turbine has a potential to achieve relatively high overall energy conversion efficiency because of production of two useful products – electricity and syngas. There is also potential for waste heat recovery., The POGT can be used in combination with other energy conversion technologies to generate electricity as well as heat or chemicals in a flexible manner. This study presents a thermodynamic analysis of the POGT cycle and also investigates the impact of key variables such as reactor excess air coefficient, pressure, temperature, oxidant composition, steam injection etc. on performance. The results show energy conversion efficiency, specific work, specific fuel consumption and composition of the syngas. Energy flows within the system and proportions between electric power, heat output and chemical energy output have been also determined.

PL

Turbiny gazowe częściowego utlenienia (POGT) różnią się od typowych turbin gazowych. Zamiast komory spalania, wykorzystywany jest w tym przypadku reaktor chemiczny. W tym reaktorze paliwo ulega częściowemu utlenieniu w warunkach substechiometrycznych. Ten typ turbiny posiada potencjał, aby osiągnąć stosunkowo wysoką sprawność ogólną przetwarzania energii z uwagi na wytwarzanie dwóch użytecznych produktów - elektryczności i syngazu. Jest również potencjał dla odzysku ciepła odpadowego. Turbina POGT może być wykorzystana w elastyczny sposób w kombinacji z innymi technologiami konwersji energetycznej celem produkcji energii elektrycznej, ciepła lub chemikaliów. W opracowaniu tym przedstawiona jest analiza termodynamiczna cyklu POGT, jak również badania nad wpływem zmiennych kluczowych, takich jak współczynnik nadmiaru powietrza w reaktorze, ciśnienie, temperatura, skład utleniacza, wtrysk pary itp., na wydajność. Otrzymane wyniki badań pokazują wydamość konwersji energetycznej, pracę jednostkową, jednostkowe zużycie paliwa i skład syngazu. Określono również przepływy energii w systemie oraz proporcje pomiędzy energią elektryczną, wydajnością cieplną oraz wydajnością energii chemicznej.

Słowa kluczowe

EN

POGT; gas turbine; thermodynamic analysis; partial oxidation

PL

POGT; turbina gazowa; analiza termodynamiczna; utlenienie częściowe

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Energia [Stowarzyszenie Elektryków Polskich - COSiW]
• Czasopismo: Energetyka
• Rocznik: 2020
• Tom: nr 8
• Strony: 374--379
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wróbel Marlena

• Politechnika Śląska, Katedra Techniki Cieplnej

autor

Kalina Jacek

• Politechnika Śląska, Katedra Techniki Cieplnej

Bibliografia

• [1] Vrielynck B., Lonneux F., Perspectives of Development of Perttel-Oxidation Gas Turbines for Cogeneration. Report EUR 17753 EN. By Institute For Prospective Technological Studies Seville for European Commission Joint Research Centre, January 1998.
• [2] Gas Technology Institute: Partial Oxidation Gas Turbine. Technology Brochure, IGT 2018 https://www.gti.energy/wp-content/up-loads/2018/11/PowerGen_POGT _UPDATE_11-2018.pdf.
• [3] Kalitventzeff B., Dumont M.N., Marechal F., Process Integration Techniques in the Development of New Energy Technologies: Application to the Isothermal Gas Turbine. Proceedings of the 13th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'98. Prague, Czech Republic, 23-28.08.1998. ISBN 808605926X.
• [4] Marechal F., Kalitventzeff B., Study of the insertion of partial oxidation gas turbine to satisfy high temperature requirements of industrial processes using energy integration techniques. "Computer Aided Chemical Engineering", Vol. 8, 2000, Pages 679-684.
• [5] Project EI.-00035-98. Oxi-Cogen. Implementation of An Innovative Cogeneration Scheme Integrating A Novel Partial Oxidation Gas Turbine. Programme FP4-NNE-THERMIE C, 1998-2001. https://cordis.europa.eu/
• [6] Dijkstra J.W., Analysis and feasibility of advanced gas turbine cycles and applications. The partial oxidation gas turbine and the gas turbine with air bottoming cycle. Final report ECN-C-01-075. ECN-Clean Fossil Fuels. August 2001.
• [7] Keller M., Koshi M., Otomo J., lwasaki H., Mitsumori T., Yamada K., Thermodynamic evaluation of an ammonia-fueled combined-cycle gas turbine process operated under fuel-rich conditions. "Energy" 194 (2020) 116894.
• [8] Wilhelm D.J., Simbeck D.R., Karp A.D., Dickenson R.L, Syngas production for gas-to-liquids applications: technologies, issues and outllok "Fuel Processing Technology, Vol. 71, June 2001, Pages 139-148.
• [9] Rabovitser J., Pratapas J., Boulanov D., Horazak D., Keiser J., and Lieuwen T., Partial Oxidation Gas Turbine for Power and Hydrogen Co-Production from Coal-Delived Fuel in Industrial Applications. Technical report OSTI, US 2009, DOI: 10.2172/981332.
• [10] Atakan B., Gas Turbines for Polygeneration? A Thermodynamic Investigation of a Fuel Rich Gas Turbine Cycle. "International Journal of Thermodynamics" (IJoT). Vol. 14 (No. 4), 2011, pp. 185-192.
• [11] Rabovitser J., Wohadlo S., Pratapas J.M., Nester S., Tartan M., Palm S., Freedman S.I., White D., Experimental Study of a 200 kW Partial Oxidation Gas Turbine (POGT) for Co-Production of Power and Hydrogen-Enriched Fuel Gas. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea, and Air Volume 4. Paper No. GT2009-59272, pp. 133-145; doi:10.1115/GT2009-59272. Orlando, Florida, USA, June 8-12, 2009.
• [12] Brüggemann P., Seilert P., Meyer B., et al. (2010). Influence of Temperature and Pressure on the Non-Catalytic Partial Oxidation of Natural Gas. Chemical Product and Process Modeling, 5(1), Retrieved 11 Mar. 2019, from 001:10.2202/1934-2659.1444.
• [13] Vrielynck B., Lonneux F., Perspectives of development of partial oxidation gas turbines in high temperature cogeneration applications, Brussels 1998.
• [14] Albrecht B., Reactor Modeling and Process Analysis for Partial Oxidation of Natural Gas. PhD Thesis. ISBN: 90-365-2100-9. University of Twente, 2004.
• [15] Bharadwaj S.S., Schmidt L.D., Catalytic partial oxidation of natural gas to syngas, "Fuel Process. Technol.", vol. 42, no. 2-3, pp. 109-127, Apr. 1995.
• [16] Cornelissen R., Tober E., Kok J., van de Meer T., Generation of synthesis gas by partial oxidation of natural gas in a gas turbine, "Energy", vol. 31, no. 15, pp. 3199-3207, Dec. 2006.
• [17] de Smet C.R.H., Partial oxidation of methane to synthesis gas: reection kinetics and reactor modelling, Libr. Tech. Univ. Eindhoven.
• [18] Hu Y.H., Ruckenstein E., Catalytic Conversion of Methane to Synthesis Gas by Partial Oxidation and CO2 Retorming, Advances in Catalysis. 2004.
• [19] Rabovitser J.K., Serguei N., White D.J., Partial Oxidation Gas Turbine (POGT) Cycles, in The Gas Turbine Handbook, U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy National Energy Technology Laboratory, 2006, pp. 121-125.
• [20] Zhang S., Jin-ling Chi J., Xiao Y., Performance analysis of a partial oxidation steam injected gas turbine cycle. "Applied Thermal Engineering" 91 (2015), pp. 622-629.
• [21] Szargut J., Egzergia. Poradnik obliczenia i stosowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).