EXPERIMENTAL STUDY OF NITROGEN-DILUTED HYDROGEN COMBUSTION AND ASSESSMENT OF HYDROGEN FLAME STABILITY IN CAN COMBUSTORS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF James_Kehinde_Moses_g202303950_MSc_Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 29 December 2026. Download (7MB)

Arabic Abstract

إنّ السعي للتغلّب على الاحتراق المتسارع للوقود الأحفوري الذي يطلق ثاني أكسيد الكربون، والذي يساهم بشكل كبير في انبعاثات الغازات الدفيئة على الكوكب، قد جعل الهيدروجين، إلى جانب أحد نواقله (الأمونيا)، وقودًا واعدًا وخاليًا من الكربون لتوليد الطاقة وأنظمة الدفع في عدة قطاعات، بما في ذلك صناعة الطيران. ومع ذلك، فإن تحدياتٍ مثل الارتداد اللهيبي، وارتفاع درجة حرارة اللهب، والتشكّل المفرط لأكاسيد النيتروجين (NOₓ) ، ومحدودية استقرار اللهب، تعيق اعتماده على نطاق واسع. وقد ذكرت عدة دراسات منشورة أنه لحرق الهيدروجين بنجاح وفعالية، ينبغي تعديل الوقود أو نظام الاحتراق. تناولت الدراسة التجريبية في هذه الأطروحة تعديل الوقود في نمط الاحتراق المسبق الخلط (Premixed) ، بينما تناولت الدراسة العددية تعديل نظام الاحتراق في نمط الانتشار . Diffusion) تم أولاً إنشاء خريطة الاستقرار لتحديد مناطق التشغيل الآمنة، تلتها دراسة تجريبية معمقة بحثت في التأثير المتداخل لتغيير السرعة الحجمية (15–25 م/ث) ونسبة الهيدروجين (40–100%) عند ϕ = 0.3 وتحت ضغط جوي واحد، باستخدام موقد مختبري صغير. وقد أظهرت النتائج أنه مع زيادة السرعة، ازدادت درجة حرارة اللهب وشدة إضاءته، وذلك نتيجة لتحسن الخلط الذي يزيد من جذور OH والنشاط التفاعلي؛ إذ ارتفعت درجة حرارة اللهب من 724 كلفن عند 15 م/ث إلى 834 كلفن عند 20 م/ث، وذلك عند نسبة هيدروجين ثابتة تبلغ 40%. وبسبب قيمة معامل التكافؤ شديدة الانخفاض، بقيت انبعاثات NOₓ أقل من 6 جزء في المليون، ولم يكن الـ Thermal NOₓ مسؤولًا عن تكوّن NOₓ ؛ بل ساهمت مسارات أخرى في تكوينه، مع انخفاض تركيز OC عند ارتفاع نسب الهيدروجين والسرعات. وفي دراسة إضافية على الأمونيا المتشققة، حيث تغيرت قيم ϕ (0.23 و0.25) والسرعات (15–25 م/ث)، ظهر أن القيمة الأقل لـ ϕ كانت أكثر استجابة للسرعة مقارنة بالقيمة الأعلى. وتم التحقق من صحة نموذج لغرفة احتراق Tay الواقعية، المعتمد على دراسة تجريبية باستخدام البروبان أجراها كلّ من Bicen وPalma، باستخدام برنامج أنسيس فلوينت (ANSYS Fluent) لحل معادلات الCFD ، وذلك باستخدام نموذج RANS k–ε ونموذج FGM شبه المسبق/الانتشاري، بالإضافة إلى نموذج الإشعاع DO. وقد تم تعديل النموذج الكامل بإضافة بطانة مثقبة (CD-liner) الثقوب الأولية والثانوية وتحت ظروف تشغيل واقعية. وأظهرت النتائج أن النموذج المعدل حقق تجانسًا أفضل في السرعة والخلط، مما أدى إلى تقليل زمن المكوث ورقم دامكولر بغض النظر عن نوع الوقود، وذلك مقارنة بالنموذج الأساسي.كما أدّى نمط الاحتراق الانتشاري إلى درجات حرارة قصوى مرتفعة بلغت 2450 كلفن للكيروسين و2600 كلفن للهيدروجين عند نفس القدرة الحرارية. كذلك انخفضت ذروة NOₓ للكيروسين بنسبة تقارب 11% وللهيدروجين بنسبة 21%، بينما انخفض NOₓ عند المخرج بنسبة 7% و19% للكيروسين والهيدروجين على التوالي، وذلك بسبب انخفاض درجات الحرارة وتراجع المناطق الساخنة المحتملة في النموذج المعدل مقارنة بالنموذج الأساسي. وكشفت ملفات الضغط عن خسائر ضغط أعلى للهيدروجين نظرًا لانتشاريته الأكبر وكثافته المنخفضة، مما يؤثر على سلوك الجريان.كما تم إجراء تحليلات معيارية إضافية، مثل تغيير عدد/أقطار ثقوب التخفيف الثانوية، حيث قدم تكوين الـ12 ثقباً الأداء الأفضل وأنتج أدنى متوسط NOₓ عند المخرج بلغ 629 جزءًا في المليون، أي أقل بنسبة 5% من خط الأساس ذي الـ6 ثقوب، في حين أن تكوين الـ18 ثقباً كان الأعلى في انبعاثات NOₓ. كذلك تغيرت زاوية المدوّر (Swirler) من 0° إلى 55°، وكانت زاوية 30° الأفضل من حيث موازنة استقرار اللهب ودرجة الحرارة وتوليد NOₓ، رغم أن زاوية 0° أنتجت أقل NOₓ إلا أن اللهب لم يكن مستقرًا. كما أدت إضافة 12 ثقبًا إضافيًا إلى بطانة الـCD إلى خفض ذروة NOₓ بنسبة 18%. وقد استُخدمت جميع التحسينات السابقة لإجراء تحليل معياري لتأثير معاملات التكافؤ ϕ بين 0.1 و0.35، حيث أدت الخلطات الأفقر (Leaner Mixtures) إلى انخفاض ملحوظ في كل من درجة حرارة اللهب عند المخرج وانبعاثات NOₓ تسهم هذه النتائج في تعزيز البيانات المنشورة المتعلقة بتقييم الهيدروجين وتطبيقاته في توليد الطاقة وغرف الاحتراق الملائمة للتطبيقات الجوية، بهدف تحسين النظام وتقليل انبعاثات NOₓ.

English Abstract

The drive to overcome the drastically rampaging fossil fuel burning that emits CO₂, contributing greatly to greenhouse gas emissions on the planet, has made hydrogen, alongside one of its carriers (ammonia), a promising carbon-free fuel for power generation and propulsion systems in several sectors, including the aviation industry. However, challenges such as flashback, high flame temperature, excessive NOₓ formation, and limited flame stability hinder its widespread adoption. Several literary studies have reported that to burn hydrogen successfully and practically, either the fuel or the combustion system needs to be modified. The experimental study of this thesis modified the fuel in premixed mode, while the numerical study modified the combustion system in diffusion mode. The stability map was first generated to know the safe operating zones, followed by an in-depth experimental study that examined the coupling effects of varying bulk velocity (15–25 m/s) and hydrogen fraction (40–100%) at ϕ=0.3 and 1 atm using a lab-scale burner. The results showed that as velocity increased, the flame temperature and brightness also increased, due to improved mixing that increases OH and reactivity; the flame temperature increased from 724 K at 15 m/s to 834 K at 20 m/s, all at a fixed HF of 40%. Due to the ultra-lean φ, the NOx remained below 6 ppm, and thermal NOx was not responsible for the NOx production; other pathways contributed to NOx formation, with OC lower at higher HFs and velocities. Further study on cracked ammonia, where the ϕs (0.23 and 0.25) and velocities (15-25 m/s) were varied, it showed that lower ϕ is more responsive to velocity than higher ϕ. A realistic Tay can combustor model, based on propane-fueled experimental study by Bicen and Palma, was validated using the ANSYS-Fluent CFD code solver with the k–ε RANS model, partially premixed/diffusion FGM model, and the DO radiation model. The full-scale model was modified by introducing a CD-liner between the primary and secondary holes and under real conditions. The results demonstrated that the modified model achieved improved velocity uniformity and mixing, leading to reduced residence time and Damköhler number irrespective of the fuel, compared to the base model. The diffusion combustion mode resulted in high peak temperatures of 2450 K and 2600 K for kerosene and hydrogen, respectively, at the same thermal power output. Also, the peak NOx reduced for kerosene by about 11% and for hydrogen by 21%, while the outlet NOx decreased by 7% and 19% for kerosene and hydrogen, respectively, due to the suppressed temperature and possible hot spots in the modified model compared to the base model. Pressure profiles revealed higher pressure losses for hydrogen due to its greater diffusivity and lower density which affect flow behavior. Further parametric analyses were carried out, such as variation in the number of holes/diameters on the secondary dilution holes, where the 12-hole configuration performed optimally and produced the lowest area-average NOx of 629 ppm at the outlet, 5% lower than the 6-hole baseline, while the 18-hole had the highest NOx. The swirler angle varied from 0o to 55o, where the 30o angle balanced flame stability, temperature, and NOx production, although the 0o angle produced the lowest NOx, but the flame was not stable. Additional 12 holes to the CD liner further decreased the peak NOx by 18%. All the optimizations above were employed to carry out parametric analysis of the effect of ϕs of 0.1 to 0.35, where leaner mixtures markedly lowered both exit flame temperature and NOₓ. These findings contribute to literature data on the findings of hydrogen assessment and applications in power generation and aerospace-applicable combustors, to optimize the system to reduce NOx.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Chemical Engineering Aerospace Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Committee Advisor:	Qasem, Naef
Committee Members:	Nemitallah, Medhat and Al-Fifi, Salman
Depositing User:	JAMES MOSES (g202303950)
Date Deposited:	29 Dec 2025 10:33
Last Modified:	29 Dec 2025 10:33
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143924