Investigation of Combustion Characteristics and Static Stability Limits of Hydrogen-Enriched CH4/Air Stratified Flames in a Model GasTurbine Combustor. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ahmed_Abdelhalim_MSc Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 8 January 2025. Download (7MB)

Arabic Abstract

في السنوات الأخيرة، اكتسب استخدام اللهب المخصب بالهيدروجين اهتمام ً ا كبيرا كحل محتمل لتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة وتحسين كفاءة الاحتراق في توربينات الغاز والتطبيقات الصناعية. بالمقارنة مع الوقود الهيدروكربوني التقليدي، يتمتع الهيدروجين بكثافة طاقة احترا ً ق أعلى ونطاق قابلية اشتعال أوسع، مما يؤدي إلى احتراق أصغر حجم ً ا وأكثر استقرارا. تشمل مزايا اللهب المخصب بالهيدروجين تحسين كفاءة الاحتراق، وتقليل انبعاثات الملوثات مثل ثاني أكسيد الكربون والجسيمات، وزيادة إنتاج طاقة التوربينات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إنتاج الهيدروجين من مصادر متجددة، مما يجعله خيار وقود مستدام وصديق للبيئة. ومع ذلك، فإن العيب الرئيسي لللهب المخصب بالهيدروجين هو ارتفاع درجة الحرارة الناتجة عن احتراق الهيدروجين مما يؤدي إلى زيادة انبعاثات أكاسيد النيتروجين. ولمعالجة هذه المشكلة، يمكن استخدام تقنية الاحتراق الفقير ) (lean Combustionمع المثبت الدوامي ) (Swirlerو اضافة الهيدروجين لتحسين استقرار عملية الاحتراق، وتعزيز كفاءة الاحتراق، وتقليل الانبعاثات. التقسيم الطبقي ) (Stratificationهو أسلوب احتراق يمكن استخدامه لتحسين الاستقرار الثابت للهب المختلط مسبقً ً ا أيضا. ويتم تحقيق ذلك عن طريق إدخال توزيع غير منتظم لنسبة التكافؤ من خلال استخدام عملية هجينة مختلطة مسبقًا/غير مختلطة مسبقًا. ينقسم الوقود إلى مكونين: جزء مخلوط مسبقًا يتم خلطه مع المؤكسد قبل اللهب، وجزء غير مختلط يتم حقنه مباشرة في اللهب. بشكل عام، من المتوقع أن يُظهر الجمع بين التقسيم الطبقي وإثراء الهيدروجين في اللهب الهزيل المستقر بالدوامة إمكانات كبيرة في تحسين الأداء والأثر البيئي لتوربينات الغاز وأنظمة الاحتراق الصناعية. في هذه الدراسة، تم دراسة خصائص الثبات ً والاحتراق للهب خليط طبقى للميثان و الهواء المخصب بالهيدروجين في موقد توربينات غازية تجريبي ً ا وعدديا. تم توفير الخليط الأولي من الميثان/الهواء من خلال دوامة في مركز الاحتراق، بينما تم حقن الهيدروجين كنفاثات طرفية غير مختلطة مسبقًا حول الخليط الأولي. تمت دراسة تأثير أجزاء الهيدروجين من 0إلى %25ونسب التكافؤ حتى 0.893على الثبات وشكل اللهب وسرعة اللهب وسمك اللهب ودرجة الحرارة والانبعاثات. تشير النتائج إلى أن استخدام الهيدروجين في تكوين نفاث غير مخلوط مسبقًا حول اللهب الأولي يثبت أنه استراتيجية فعالة لتقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين المرتفعة المرتبطة بدرجات الحرارة المرتفعة في لهب الهيدروجين. ومع ذلك، فإن الاستخدام المفرط للوقود المعزز، الذي يتم تطبيقه عادة لتعزيز حد الانفجار الهزيل في الشعلات مثل مواقد ،DACERSلا يؤدي إلى تحسن مماثل في حد الانفجار عند وضع النفاثات المائلة على الحافة الخارجية للهب. ويرجع ذلك إلى التأثيرات المتضاربة للنفاثات المعززة، التي تعمل كمصدر استقرار من خلال تثبيت اللهب وكقوة تخريبية مع زخمها النفاث العالي الذي يؤدي إلى تشتيت اللهب وتقليل الاستقرار. استخدام الهيدروجين كوقود داعم يؤدي إلى زيادة في الجذور الوسيطة مثل OHو Hو ،Oمما يساهم في تثبيت اللهب. ومع ذل ً ك، تؤدي هذه الممارسة أيضا إلى ارتفاع انبعاثات أول أكسيد الكربون ) (COوالهيدروكربونات غير المحترقة بسبب سرعة تفاعل الهيدروجين

English Abstract

Recently, using hydrogen enriched flames has been gaining significant attention as a potential solution for reducing greenhouse gas emissions and improving combustion efficiency in gas turbines for industrial applications. Compared to traditional hydrocarbon fuels, hydrogen has higher combustion energy density and wider flammability range, resulting in more stable leaner flames. The advantages of hydrogen-enriched flames include improved combustion efficiency, reduced emissions of pollutants such as CO2 and particulate matter, and increased turbine power output. Additionally, hydrogen can be produced from renewable sources, making it a sustainable and environmentally friendly fuel option. However, a main drawback of hydrogen enriched flames is the high temperature produced from hydrogen combustion which leads to increased NOx emissions. To address this issue, lean combustion technology with swirl stabilization and hydrogen enrichment can be used to improve the stability of the combustion process, enhance combustion efficiency, and reduce emissions. Stratification is a combustion technique that can be employed to improve the static stability of premixed flames, as well. This is accomplished by introducing a non-uniform distribution of equivalence ratio using a hybrid premixed/non-premixed operation. The fuel is divided into two components: a premixed portion which is mixed with the oxidizer upstream of the flame, and a non-premixed portion which is directly injected into the flame. Overall, the combination of stratification with hydrogen enrichment in lean swirl-stabilized flames is expected to show great potential in improving the performance and environmental impact of gas-turbine and industrial combustion systems. In this study, the stability limits and combustion and emission characteristics of hydrogen-enriched stratified CH4/air flames were investigated experimentally and numerically in a gas-turbine burner. The primary mixture of CH4/air was supplied through a swirler in the center of the combustor, while hydrogen was injected as peripheral non-premixed jets around the primary mixture. The effects of hydrogen fractions from 0 to 25% and equivalence ratios up to 0.893 on stability, flame shape, flame speed, flame thickness, temperature, and emissions were studied. The results indicate that employing hydrogen in a non-premixed jet configuration around the primary flame proves to be an effective strategy for reducing elevated nitrogen oxides (NOx) emissions associated with the high temperatures in hydrogen flames. However, the excessive use of pilot fuel, commonly applied to enhance the lean blowout limit in burners like DACRS burners, does not result in a comparable improvement in the blowout limit when tilted jets are positioned on the outer edge of the flame. This is due to the conflicting effects of the pilot jet, acting both as a stabilizing source by anchoring the flame and as a disruptive force with its high jet momentum dispersing the flame and diminishing stability. Nevertheless, using hydrogen as a pilot fuel leads to an increase in intermediate species like OH, H, and O, contributing to flame stabilization. However, this practice also results in higher carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons emissions due to the inherent characteristics and heightened reactivity of hydrogen.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Aerospace Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Abdelhafez, Ahmed
Committee Members:	Nemitallah, Medhat and Habib, Mohammed
Depositing User:	AHMED ABDELHALIM (g202114750)
Date Deposited:	08 Jan 2024 10:43
Last Modified:	08 Jan 2024 10:43
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142763