[논문 리뷰] New Weighted Sum of Gray Gases (WSGG) Models for Radiation Calculation in Carbon Capture Simulations: Evaluation and Different Implementation Techniques

Osama A. Marzouk, E. David Huckaby|arXiv (Cornell University)|2024. 11. 27.

Radiative Heat Transfer Studies인용 수 5

한 줄 요약

본 논문은 H2O–CO2 혼합물에 대해 최근에 개발된 네 가지 WSGGM 모델을 공기-연료 WSGGM과 대조하고, 보간 방법을 평가하며, 스펙트럴 라인 기반 참조에 대한 정확도를 평가하기 위해 유한체적 RT 해법을 사용한다.

ABSTRACT

We apply several weighted sum of gray gases models (WSGGMs) to calculate the radiative absorption coefficient for gas mixtures containing H2O and CO2. Our main objectives are to analyze and compare four WSGGMs which have been recently developed for oxy-fuel combustion. The models are compared with the widely-used air-fuel WSGGM of Smith et al. In addition to direct comparison of the absorption coefficients, we compare finite-volume solutions of the radiative equation of transfer in a 2m x 2m x 4m box with a specified inhomogeneous temperature field and a homogeneous mixture of the H2O, CO2 and N2. Calculations using a spectral line-based WSGGM (SLW) are used as a reference solution to estimate the accuracy. For each WSGGM, we apply two interpolation methods for determining the model coefficients at arbitrary H2O-to-CO2 ratios. For wet-recycle oxy-fuel combustion, we found that the deviation of the air-fuel WSGGM was not significantly larger than several of the newer models. However, with dry recycle (90 vol%-CO2) the air-fuel WSGGM model underpredicts the radiative flux and radiative heat source in contrast to the other models which overpredict these fields. Piecewise linear interpolation consistently improves the predictions of the air-fuel WSGGM, but only has a modest effect on the predictions of the oxy-fuel WSGGM's.

연구 동기 및 목표

• 탄소 포집 가스 혼합물(H2O/CO2/N2) 맥락에서 산화연료 연소를 위해 개발된 네 가지 WSGGM을 분석하고 비교한다.
• 이 모델들의 정확도를 스펙트럴-라인 기반 WSGGM(SLW) 참조와 비교하여 평가한다.
• 임의의 H2O/CO2 비율에 대한 두 가지 계수 보간 방법이 모델 예측에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 네 가지 WSGGM과 공기-연료 WSGGM을 기준으로 H2O–CO2–N2 혼합물에 대한 복사 흡수 계수를 계산한다.
• 온도장이 불균일한 2 m × 2 m × 4 m 유한체적 박스를 사용하여 복사 플럭스와 소스 항을 비교한다.
• WSGGMs의 정확도 추정을 위해 SLW를 참조로 사용한다.
• 임의의 H2O-to-CO2 비율에서 모형 계수에 대한 두 가지 보간 방법을 적용한다(조각별 선형 보간 포함).
• 젖은 재순환(wet-recycle) 및 건식 재순환(dry-recycle) 산화연료 사례(예: 90 vol% CO2)에 대한 결과를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네 가지 최신 WSGGM이 공기-연료 WSGGM 및 SLW 참조와 비교했을 때 H2O–CO2–N2 혼합물에 대한 복사 흡수를 예측하는 성능은 어떠한가?
• RQ2 계수 보간이 모델 정확도에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 다양한 H2O/CO2 비율에서의 영향은?
• RQ3 젖은 재순환(wet-recycle) 및 건식 재순환(dry-recycle) 산화연료 시나리오가 모델 정확도와 플럭스 예측에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 새로운 WSGGMs가 탄소 포집 맥락에서 기존의 공기-연료 WSGGM에서 관찰된 과소/과다 예측을 완화하는가?

주요 결과

• 공기-연료 WSGGM의 편차는 젖은 재순환 산화연료 조건에서 여러 최신 모델보다 크게 크지 않다.
• 건식 재순환(90 vol% CO2)하에서 공기-연료 WSGGM는 다른 모델에 비해 복사 플럭스와 복사 열원을 과소 예측하고, 다른 모델은 과다 예측한다.
• 조각별 선형 보간은 일관되게 공기-연료 WSGGM의 예측을 개선한다.
• 보간은 산화연료 WSGGMs의 예측에 미치는 영향이 미미하다.
• SLW는 WSGGMs의 정확도 추정을 위한 참조 해(solution)로 작용한다.
• 건식 재순환 조건에서 다른 WSGGMs은 복사장(radiative fields)을 과다 예측하는 경향이 있는 반면, 공기-연료 WSGGM은 과소 예측한다.