Ahmed, Md. Imteaz (2026) Experimental and Numerical Investigation of Hydrogen Blended Methane in a Stratified Swirl Combustor. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Md Imteaz Ahmed-202208300-V13-final copy.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 6 August 2027. Download (9MB)

Arabic Abstract

أدى التحول نحو توليد الطاقة منخفضة الكربون إلى جعل احتراق الميثان المُخصب بالهيدروجين مسارًا واعدًا لتشغيل توربينات الغاز بكفاءة أعلى وبيئة أنظف. في هذه الدراسة، تم إجراء بحث تجريبي ورقمي شامل حول لهب الميثان والهواء المُخصب بالهيدروجين في غرفة احتراق حلقية مزدوجة الدوران المتعاكس (DACRS)، مع التركيز على التأثيرات المُترابطة لتخصيب الهيدروجين وتقسيم طبقات الوقود والهواء على الاستقرار الساكن، والسلوك الحراري الصوتي، والبنية الكلية للهب، وانبعاثات الملوثات. تم فحص تأثير تخصيب الهيدروجين من 0% إلى 40% حجميًا تجريبيًا لكل من تكوينات اللهب النفاث والدوامي. أدى إضافة الهيدروجين إلى توسيع نطاق التشغيل في ظروف الاحتراق الهزيل بشكل ملحوظ، حيث حسّن حدّ انطفاء اللهب في ظروف الاحتراق الهزيل بنسبة 39% في اللهب النفاث و43% في اللهب الدوامي عند نسبة هيدروجين 40%. وأصبح اللهب أكثر كثافةً وقصرًا وثباتًا مع زيادة محتوى الهيدروجين. حافظت ألسنة اللهب النفاثة على استقرارها الحراري الصوتي عند جميع نسب الهيدروجين، وذلك لغياب الترابط بين الضغط الصوتي وتقلبات إطلاق الحرارة. في حين حافظت ألسنة اللهب الدوامية على استقرارها في ظروف الاحتراق الهزيل (φg ≤ 0.7)، إلا أنها أصبحت أكثر عرضة لعدم الاستقرار الحراري الصوتي عند نسب الهيدروجين الأعلى وظروف الاحتراق الأكثر غنىً. وكشفت قياسات الانبعاثات عن انخفاضات كبيرة في أول أكسيد الكربون بنسبة 67% في ألسنة اللهب النفاثة و80% في ألسنة اللهب الدوامية عند نسبة هيدروجين 40%، مصحوبة بارتفاع طفيف في أكاسيد النيتروجين يُعزى إلى ارتفاع درجات حرارة اللهب ومسارات أكاسيد النيتروجين الحرارية. علاوة على ذلك، دُرست ظاهرة تدرج الوقود والهواء (SR = 1 إلى 3) في لهب دوامي من الميثان مُخصب بنسبة 20% هيدروجين. وقد عزز التدرج أيضًا الاستقرار الساكن، مما أدى إلى خفض حد الاحتراق المنخفض بنسبة 16% عند SR = 3، حيث عملت منطقة التفاعل الداخلية الغنية كشعلة تجريبية تدعم انتشار الجذور الحرة إلى المنطقة الخارجية الفقيرة. لوحظ عدم استقرار حراري صوتي عند نسبة SR = 1 فوق φg = 0.8، وقد تم كبحه تمامًا عند SR = 3. ومع ذلك، أدى التطبق الحراري إلى مفاضلة بين الاستقرار وانبعاثات الغازات. ظلت انبعاثات أول أكسيد الكربون منخفضة (≤ 10 جزء في المليون) عند φg ≤ 0.7، لكنها ارتفعت بمقدار 13 ضعفًا تقريبًا في المتوسط عند نسب التكافؤ الأعلى. بالإضافة إلى ذلك، زادت انبعاثات أكاسيد النيتروجين بمقدار 3 أضعاف عند SR = 2 و4.5 أضعاف عند SR = 3، لتصل إلى ذروتها عند 106 جزء في المليون عند SR = 3 لـ φg = 0.9. إلى جانب التطبق الحراري، حقق إثراء المدخل الداخلي أكبر تحسن، حيث قلل حد الانفجار الناتج عن خليط الوقود الخفيف (LBO) بنسبة 33% تقريبًا، بينما أظهر كل من إثراء المدخل انخفاضًا معتدلًا بنسبة 16%، وأظهر إثراء المدخل الخارجي تغييرًا طفيفًا. كما أدى إثراء المدخل الداخلي إلى إنتاج بنية اللهب الداخلية الأكثر كثافة وثباتًا، في حين أن كلا إثراء المدخل أدى إلى لهب متوازن مع إضاءة كيميائية زرقاء موحدة. أدى إثراء المدخل الخارجي إلى منطقة خارجية أكثر سطوعًا، لكن مع ضعف النواة الداخلية وانخفاض التثبيت. أما بالنسبة للسلوك الحراري الصوتي، فقد أظهر كل من إثراء المدخل والمدخل الخارجي اقترانًا قويًا مع قمم سائدة بالقرب من 530 هرتز، بينما كبح إثراء المدخل الداخلي بشكل فعال عدم الاستقرار عبر معظم نطاق التشغيل. أخيرًا، كشفت خصائص الانبعاث عن مقايضة واضحة. أنتج إثراء المدخل الداخلي أعلى تركيز لأول أكسيد الكربون (حوالي 120 جزءًا في المليون) وأكاسيد النيتروجين (حوالي 95 جزءًا في المليون) عند φg = 0، بينما قدم كل من إثراء المدخلين أقل تركيز لأول أكسيد الكربون مع تركيز معتدل لأكاسيد النيتروجين، وأدى إثراء المدخل الخارجي إلى أدنى تركيز لأكاسيد النيتروجين بين الاستراتيجيات الثلاث. تم استخدام المحاكاة العددية لتحليل التأثيرات المشتركة لنسبة الهيدروجين (0-40%) ونسبة التطبق (1-3) عند نسبة تكافؤ عالمية ثابتة. حوّل إثراء الهيدروجين اللهب من شكل V عريض ومستطيل إلى شكل M مضغوط ومثبت، حيث وصلت درجة الحرارة القصوى إلى 1870 كلفن عند 40% هيدروجين. انخفضت انبعاثات أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون مع زيادة نسبة الهيدروجين حتى 30% نتيجةً لزيادة الأكسدة المدفوعة بجذور الهيدروكسيل وانخفاض محتوى الكربون، مع ارتفاع طفيف في أول أكسيد الكربون عند 40% بسبب التفكك الحراري. أما انبعاثات أكسيد النيتروجين، فقد أظهرت اتجاهًا غير خطي، حيث انخفضت من 31 جزءًا في المليون عند 0% هيدروجين إلى أدنى مستوى لها عند 20% قبل أن ترتفع مجددًا عند 30-40% مع إعادة تنشيط مسار زيلدوفيتش الحراري. أدى ازدياد التطبق الحراري إلى توسيع وتكثيف النواة المركزية ذات درجة الحرارة العالية، مما رفع درجة الحرارة المحورية القصوى من 1810 كلفن إلى 2150 كلفن عند نسبة هيدروجين 30%، ولكنه زاد انبعاثات أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين بمقدار 3 و7 أضعاف على التوالي عند نسبة SR = 3 مقارنةً بنسبة SR = 1. باختصار، تُظهر النتائج التجريبية والرقمية أن إثراء الهيدروجين مع التحكم في التطبق الحراري يُوفر استراتيجية فعالة لتمديد نطاق التشغيل في ظروف الاحتراق الهزيل، وكبح عدم الاستقرار الحراري الصوتي، وتقليل الانبعاثات الكربونية في الاحتراق المُستقر بالدوامة. إذا كان الشاغل الرئيسي هو تجنب الفشل الحراري الصوتي والحفاظ على مرونة الطاقة، فإن اللهب النفاث بنسبة 30-40% من الهيدروجين يُعد خيارًا تشغيليًا مُفضلاً. أما إذا كان الشاغل الرئيسي هو تقليل انبعاثات الملوثات مع تلبية متطلبات الطاقة المتوسطة، فيمكن اختيار اللهب الدوامي بنسبة 20% من الهيدروجين مع نسبة SR متوسطة (2-2.5)، مع إثراء كلا المدخلين، وذلك لظروف التشغيل الهزيلة للغاية.

English Abstract

The transition toward low-carbon power generation has positioned hydrogen-enriched methane combustion as a promising pathway for cleaner and more efficient gas turbine operation. In this work, a comprehensive experimental and numerical investigation of hydrogen-enriched methane–air flames in a Dual Annular Counter Rotating Swirl (DACRS) combustor, focusing on the coupled effects of hydrogen enrichment and fuel air stratification on static stability, thermoacoustic behavior, flame macrostructure, and pollutant emissions. The effect of hydrogen enrichment from 0% to 40% by volume was experimentally examined for both jet and swirl flame configurations. Hydrogen addition significantly extended the lean operability, improving the lean blowout (LBO) limit by 39% in jet flames and 43% in swirl flames at 40% hydrogen. Flames became progressively more compact, shorter, and better anchored with higher hydrogen content. Jet flames remained thermoacoustically stable across all hydrogen fractions due to the absence of coupling between acoustic pressure and heat release fluctuations, while swirl flames remained stable under lean conditions (φg ≤ 0.7) but became increasingly susceptible to thermoacoustic instability at higher hydrogen fractions and richer conditions. Emission measurements revealed substantial CO reductions of 67% in jet flames and 80% in swirl flames at 40% hydrogen, accompanied by a moderate rise in NOx attributable to elevated flame temperatures and thermal NOx pathways. Furthermore, fuel air stratification (SR = 1 to 3) was investigated for a 20% hydrogen-enriched methane swirl flame. Stratification also enhanced static stability, lowering the LBO limit by 16% at SR = 3, as the inner rich reaction zone acted as a pilot flame supporting radical diffusion to the outer lean region. Thermoacoustic instability observed at SR = 1 above φg = 0.8 was completely suppressed at SR = 3. However, stratification introduced a stability emission trade-off. CO emissions remained low (≤10 ppm) at φg ≤ 0.7 but rose by approximately 13 times on average at higher equivalence ratios. In addition, NOx emissions increased by 3 times at SR = 2 and 4.5 times at SR = 3, reaching a peak of 106 ppm at SR = 3 for φg = 0.9. In addition to stratification, inner inlet enrichment delivered the greatest improvement, reducing the lean blowout (LBO) limit by approximately 33%, while both inlet enrichment showed a moderate 16% reduction and outer inlet enrichment exhibited negligible change. Inner inlet enrichment also produced the most intense and firmly anchored inner core flame macrostructure while both inlet enrichment yielded a balanced flame with uniform blue chemiluminescence. Outer inlet enrichment resulted in a brighter outer region but weaker inner core and reduced anchoring. For thermoacoustic behavior, both inlet and outer inlet enrichment exhibited strong coupling with dominant peaks near 530 Hz whereas inner inlet enrichment effectively suppressed instabilities across most of the operating range. Finally, emission characteristics revealed a clear trade-off. Inner inlet enrichment produced the highest CO (~120 ppm) and NOx (~95 ppm) at φg = 0., while both inlet enrichment offered the lowest CO with moderate NOx and outer inlet enrichment yielded the lowest NOx among the three strategies. Numerical simulation has been used to analyze the combined effects of hydrogen fraction (0–40%) and stratification ratio (1–3) at a fixed global equivalence ratio. Hydrogen enrichment transformed the flame from a wide, elongated V-shape to a compact, anchored M-shape, with the peak temperature reaching 1870 K at 40% hydrogen. CO and CO₂ emissions decreased with hydrogen enrichment up to 30% due to enhanced OH-driven oxidation and reduced carbon content, with a slight CO rebound at 40% caused by thermal dissociation. NO emissions exhibited a non-linear trend, decreasing from 31 ppm at 0% hydrogen to a minimum at 20% before rising again at 30–40% as the thermal Zeldovich pathway was reactivated. Increasing stratification broadened and intensified the central high-temperature core, raising the axial peak temperature from 1810 K to 2150 K at 30% hydrogen, but elevated CO and NO emissions by 3 and 7 times, respectively, at SR = 3 compared to SR = 1. In summary, the experimental and numerical findings demonstrate that hydrogen enrichment combined with controlled stratification offers an effective strategy for extending lean operability, suppressing thermoacoustic instability, and reducing carbon-based emissions in swirl-stabilized combustion. If the primary concern is avoiding thermoacoustic failure and maintaining power flexibility, jet flame of 30–40% H2 can be a preferred operating configuration. If the primary concern is minimizing pollutant emissions while meeting moderate power demands, swirl flame of 20% H2 with moderate SR= 2-2.5, both inlets enrichment can be selected for ultra-lean operating conditions.