Effect of the turbulent flow field on NOx formation in a hydrogen flame

Abstract

Gitt den økende hastigheten på klimaendringene, har behovet for å erstatte tradisjonelle fossile brensler aldri vært viktigere. Gassturbiner, som hovedsakelig bruker metan som brennstoff, bidrar betydelig til karbonutslippene i olje- og gassindustrien. Derfor ble potensialet til hydrogen som en erstatning for metan undersøkt med fokus på dets innvirkning på NOx-utslipp, en avgjørende faktor for miljøhensyn.

Strømningsfeltet over en laboratorie-skala gass turbin brenner ble karakterisert ved hjelp av Laser Doppler Velocimetry (LDV). En resirkulerende sone med en høyde på h=40 mm, med en tilsvarende residenstid på t=0.274 ms ble funnet. Strømningsfeltet viste seg å være svært asymmetrisk og komplekst. Massestrømningsraten for luft tilsvarte det som ville produsere forbrenning som opererer ved 10 kW og en adiabatisk flammetemperatur på T =1563 K med både metan og hydrogen som drivstoff.

Denne forbrenningsprosessen ble simulert ved å konstruere et Kjemisk Reaktor Nettverk (KRN) ved hjelp av Cantera som simulerte dannelsen og forbruket av NOx, i tillegg til utviklingen av temperaturen i brennkammeret. Korrigert for 15 % tørt oksygen, simulerte modellen NOx-utslipp på 21 ppm og 26 ppm med metan og hydrogen som drivstoff, henholdsvis. Når den ble validert mot eksperimentelle data, viste KRN-modellen høy nøyaktighet i å forutsi utslipp når metan ble brukt som drivstoff under forhold like som under eksperimentene. Imidlertid overestimerte modellen NOx-utslippene når hydrogen ble brukt som drivstoff.

Denne studien gir en verdifull database for fremtidige numeriske modeller, samtidig som den understreker gjennomførbarheten av å bruke data fra kaldstrømmålinger for nøyaktige simuleringsresultater av forbrenning. Videre gir den innledende innsikt i det potensielle bruket av hydrogen som drivstoff i gassturbiner. Funnene gir grunnlag for ytterligere forskning på det øyeblikkelige strømningsfeltet, i tillegg til ytterligere målinger i et strømningsfelt med forbrenning.

Given the growing urgency of climate change, the necessity to replace traditional fossil fuels has never been more critical. Gas turbines, predominantly operated using methane as fuel, contribute significantly to the carbon emissions in the oil and gas industry. This study, therefore, explored the potential of hydrogen as a substitute for methane, focusing on its impact on NOx emissions, a crucial factor for environmental considerations.

The swirling flow field above a laboratory-scale gas turbine burner was characterized using Laser Doppler Velocimetry (LDV). A recirculating zone with a height of h=40 mm, with a corresponding residence time of t=0.274 ms was found. The flow field was found to be highly asymmetrical and complex. The mass flow rate of air corresponded to that which would result in combustion producing 10 kW of power with an adiabatic flame temperature of T=1563 K with both methane and hydrogen as fuel.

This combustion process was simulated by constructing a Chemical Reactor Network (CRN) using Cantera that simulated the formation and consumption of NOx, in addition to the evolution of temperature in the combustion chamber. Corrected for 15% dry oxygen, the model predicted NOx emissions of 21 ppm and 26 ppm with methane and hydrogen as fuel, respectively. When validated against experimental data, the CRN model showed high accuracy in predicting emissions when methane was used as fuel under similar conditions to the experiments. However, the model overestimated NOx emissions when hydrogen was used as fuel.

This study provides a valuable reference for future numerical models while also highlighting the feasibility of using data from cold flow measurements for accurate combustion simulation results. Furthermore, it offers preliminary insights into the potential use of hydrogen as a fuel in gas turbines. The findings warrant further research on the instantaneous flow field in addition to further measurements with a combusting flow field.