Hydrogen-enriched combustion study at high turbulence and swirl levels inside a gas turbine combustor

Elbayoumi, Mohamed (2022). Hydrogen-enriched combustion study at high turbulence and swirl levels inside a gas turbine combustor. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Given the limited reserves of fossil fuels and the environmental ramifications of their burning; a transfer to new energy resources is all but inevitable. Hydrogen-blended fuel is a promising resource for future generations of Gas Turbine Engines (GTE), due to its high reactivity and ability to reduce carbon emissions. However, several limitations prevent its application, especially for swirl configurations. The literature does not account for the hydrogen-swirl-equivalence ratio interaction at high turbulence levels, a shortcoming this dissertation addresses. The main objective of this research is to numerically investigate the effects of hydrogen addition (to methane) and swirl intensity on the combustion process under relevant GTE conditions. A numerical study is conducted to assess Hydrogen-Enriched Combustion (HEC) in a lab-scale burner operating at a high turbulence level (Rein = 36,000 and u'/Sl L up to 45), under lean and stoichiometric burning conditions. A wide range of H2 (up to 90%) is used for enriching CH4-air lean combustion, in combination with a high swirl level (S up to 1.3). The study reveals the feasibility of using H2-CH4 blends with 25% H2 to replace CH4 in the primary stages of GTE operation, and of using up to 90% and 60% H2 to enrich lean and stoichiometric combustion, respectively, without any design modification. Under the studied conditions, it is found that H2 addition raises the reaction zone temperature, reduces the size of the Inner Recirculation Zone (IRZ), responsible for stabilizing the flame, and results in longer flames, due to the interaction between the high reactivity of H2 with a high turbulence level. Conversely, the swirl intensity is found to reduce the flame surface area and associated heat release, increase the IRZ size, in addition to resulting in shorter flames, due to an increased turbulent intensity. Hence, increasing the swirl intensity is favoured when using H2-blended fuel with high H2 concentrations. Radiation is considered for all simulations and found influential, as it yields a reduction of the outlet temperature by not less than 100 K, thus reducing emissions by half. A moderate H2 concentration (up to 50%) and swirl intensity up to 1.3 are found to slightly increase NOx; however, such an increase is not deemed significant, for as long as NOx levels are generally in the order of a few ppm at the burner’s outlet. H2 results in reducing CO, as it promotes CO conversion into CO2, which was also reduced as the H2 concentration increased. Overall, hydrogen-blended fuel is highlighted as an encouraging resource towards a carbon-free fuel and HEC is deemed as a clean combustion approach.

Titre traduit

Étude de combustion enrichie en hydrogène à des niveaux élevés de turbulence et de tourbillon à l'intérieur d'une chambre de combustion de turbine à gaz

Résumé traduit

La combustion d’énergie fossile et ses ramifications environnementales résultant de sa combustion font que la migration vers de nouvelles ressources énergétiques devient inévitable. Les carburants à base d’hydrocarbures conventionnels mélangés à de l'hydrogène sont une solution prometteuse vers une transition énergique des unités de génération de puissance comme les turbines à gaz, car l’ajout d’hydrogène réduit les émissions carbonées. Cependant, l’ajout d’hydrogène apporte de nouvelles contraintes au niveau de la combustion, par sa vitesse de propagation plus rapide et sa grande plage d’inflammabilité. Ainsi l'interaction entre la richesse du mélange et l’écoulement structuré de la chambre de combustion nécessite une étude plus approfondie lorsque des niveaux de turbulence élevés sont présents afin de quantifier l’impact sur la flamme obtenue. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier numériquement l'effet de l'ajout d'hydrogène au méthane et de l'intensité de l’écoulement structuré de type swirl sur le processus de combustion dans des conditions approchant les turbines à gaz. Ainsi l’étude numérique propose d’évaluer la combustion enrichie en hydrogène d’un brûleur de laboratoire fonctionnant à un niveau de turbulence élevé (Rein = 36,000 et /SL up to 45) et ce, dans des conditions de mélange pauvre et stoechiométrique. Une large plage d’ajout d’hydrogène (jusqu'à 90%) est utilisée pour enrichir la combustion de mélange pauvre à base de méthane, et ce, pour différents niveaux d’intensité de swirl. L'étude montre la faisabilité d'utiliser des mélanges contenant jusqu’à 25% de H2 sans modifications majeures à la flamme obtenue. Il appert également possible d'utiliser jusqu'à 90% H2 en mélange pauvre et 60% de H2 pour un mélange stoechiométrique, avec toutefois une légère différence sur la flamme obtenue. Dans les conditions étudiées, l'ajout de H2 augmente la température de la zone de réaction, réduit la taille de la zone de recirculation interne qui est responsable de la stabilisation de la flamme. Ainsi dans la configuration initiale, l’ajout d’hydrogène en forte concentration entraîne des flammes plus longues, en raison de l'interaction entre la réactivité élevée de H2 et la turbulence. Toutefois en augmentant l’intensité du swirl, la surface de la flamme est réduite et augmente légèrement la taille de la zone de recirculation interne, ce qui entraîne des flammes plus courtes, en raison de l'intensité turbulente accrue. Par conséquent, il est suggéré d’augmenter l'intensité de l’écoulement structuré de type swirl lors de l'utilisation de carburant à forte teneur de H2. L’étude numérique a également permis d’illustrer l’importance des pertes par rayonnement, car il entraîne une réduction de la température de sortie d'au moins 100 K, ce qui se traduit par des émissions de NO réduites de moitié. Toutefois, les résultats démontrent un comportement non linéaire entre la concentration de H2 et la température de flamme et les NO obtenus. Ainsi jusqu’à une concentration modérée de H2 (50%) et un swirl intense, les NO augmentent légèrement, mais restent à des niveaux de l’ordre de quelques ppm à la sortie du brûleur. En contrepartie, de fortes concentrations de H2 entrainent de plus fortes augmentations de température et donc de NO lorsque l’intensité du swirl est intense. Dans l'ensemble, l’approche d’ajout d'hydrogène au méthane semble offrir une solution viable vers un carburant sans carbone.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 145-150).
Mots-clés libres:	moteur à turbine à gaz, combustion enrichie en hydrogène, écoulement structuré de type swirl, dynamique des fluides numérique, zone de recirculation interne
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Codirecteur:	Codirecteur Garnier, François Moustapha, Hany
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 juin 2022 19:21
Dernière modification:	16 juin 2022 19:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3012

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