Ren og effektiv forbrenning av hydrogen i gassturbiner (BIGH2)

project-news Claude R. Olsen
10.05.2011

Avanserte modeller, kostbare simuleringer og nøyaktige eksperimenter har gitt ny innsikt i hvordan hydrogen og luft oppfører seg i en gassturbin. Kunnskapen skal brukes til å designe brennere med høy virkningsgrad og minimale utslipp av NOx.

​​

 

Hydrogen kan bli et viktig bidrag for å få ned utslippene av CO2 fra kull- eller gasskraftverk. I et såkalt pre-combustion fangstanlegg spaltes det fossile brenselet til hydrogen og CO2. Hydrogenet brennes i en gassturbin som produserer strøm mens CO2-en lagres.

Utfordringen med å bruke rent hydrogen i en gassturbin er at det brenner ved meget høy temperatur. Dermed dannes nitrogenoksider (NOx) i brennkammeret. For å unngå utslippene av disse miljøgiftene må flammetemperaturen senkes. Det gjøres i dag ved å fortynne hydrogenet med inerte gasser som vanndamp eller nitrogen. Det går i midlertid ut over virkningsgraden for kraftverket. Dette kommer i tillegg til energibruken for å produsere hydrogen og CO2.

SINTEF Energi, Deutches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) og Alstom Power forsker på hvordan brennkammeret kan utformes slik at blandingen av hydrogen og luft ikke går utover virkningsgraden samtidig som det blir dannet lite nitrogenoksider. Dersom de lykkes vil dette bli et industrielt produkt i Alstoms portefølje i 2016-2017.

Målet i prosjektet BIGH2 - Enabling Pre-Combustion CCS Plants som er støttet av CLIMIT er å utvikle et brennkammer som er i stand til å brenne hydrogenrike brensler i mager forblandet forbrenning (lean pre-mixed).

Den første grunnleggende fase av prosjektet er nå avsluttet.

– I fase 1 har vi fokusert på det første store problemet ved forbrenning av hydrogen - sikker og pålitelig brenselinjeksjon. Vi så på hvordan vi kan blande brensel og oksidant godt uten at det øker risikoen for "flashback". En flashback oppstår når flammen brer seg bakover mot injeksjonsdysene for brenselet, sier prosjektleder Andrea Gruber ved SINTEF Energi.

Reaktiv direkte numerisk simulering (DNS) av flammestabilisering bak en jet i kryss-strømning
 

Reaktiv direkte numerisk simulering (DNS) av flammestabilisering bak en jet i kryss-strømning: brensel (grønt), flammegrensen (blå) og temperatur (hvit, gul, rød). Ill.: SINTEF

Innebygd sikkerhet

Kravet om å blande hydrogen og luft godt med kravet om innebygd sikkerhet mot flashbacks er to motstridende krav designmessig. Etter modellering ved SINTEF, eksperimenter hos DLR og gjennomgang hos Alstom viser resultatene fra BIGH2 fase 1 at forskerne nå forstår mekanismen for hvordan flammene oppfører seg ved injeksjonsdysene, slik at de kan utvikle optimale dyser.

Det som skjer med flammene inne i brennkammeret er svært komplisert å simulere. SINTEF tok i bruk en metode som kalles direkte numerisk simulering (DNS) i modelleringen av den turbulente strømningen rundt brenseldysen. Metoden gjør det mulig å beregne utviklingen av flammene uten å sette inn antagelser om turbulenser og lignende som er vanlige forenklinger med andre metoder. Alle parametre er representert og beregningene gir et svært detaljert bilde av blandingsmønsteret for brensel og luft.

SINTEF hadde ikke råd til å kjøre en direkte numerisk simulering med flamme på egen superdatamaskin. Slike simuleringer krever enormt med datatid. Den ene simuleringen med flamme ble derfor gjort hos Sandia National Laboratory, i samråd med partnerne. Simuleringen tok fire millioner CPU-timer som ville representert en verdi av ca. to millioner dollar.

– Den ene simuleringen med flamme bekreftet teorien vi hadde fra de simuleringene uten flamme som vi hadde gjort, sier Gruber.

Motsatt av det vi trodde

Et annet viktig resultat fra fase 1 kom overraskende på forskerne.

– Alt i litteraturen tilsier at flammehastigheten blir dempet når brenselet og luften blandes ved høyere trykk. Men dette viste seg å være galt. Jo høyere trykk, jo nærmere kom flammene dysene, sier Gruber.

Forklaringen er at når man øker trykket, øker man også tettheten i brenselet tilsvarende, og da vil alle virvlene i en turbulent strømning ha mer masse. Virvlene får økt momentum og skaper en mer ujevn flammeoverflate når de treffer denne. I en laminær (jevn) flamme vil flammehastigheten gå ned med økt trykk, slik litteraturen har beskrevet.

– Et viktig resultat av disse funnene er at det ikke går å lage et brennkammer som fungerer bra ved atmosfærisk trykk og anta at den vil fungere bedre ved høyt trykk. Det vi har funnet er veldig viktig for design av hydrogen brennkammer i gassturbiner, sier Gruber.

Hva som skjer i brennkammeret under trykk er gjort i praktiske eksperimenter hos DLR.

Ikke-reagerende direkte numerisk simulering av brensel-luft-blanding
 

Ikke-reagerende direkte numerisk simulering av brensel-luft-blanding: Turbulens fra kryss-strømning av luft (grå overflater) og dens interaksjon med jet-brenselet (blå overflate). De grønne overflatene merker de sterkeste turbulente virvlene som dannes i denne konfigurasjonen. Ill.: SINTEF

Tett organisasjon

Gruber mener det har vært en fordel å bare være tre partnere i et prosjekt der design av utstyr er ​det primære.

- Da kunne vi jobbe mer fokusert, sier han og berømmer Alstom for å være åpne om sine design av brennkamre.

Men det tok lang tid å komme i gang. SINTEF Energi fikk tilsagn om støtte i 2007, men det gikk enda et år før konsortieavtalen var på plass. Det ble mange runder med juristene for alt rundt rettigheter til teknologien (ipr) var avtalefestet.

Totalt har 12 forskere jobbet med prosjektet i fase 1, fire fra hver partner. Budsjettet har vært ti millioner kroner med syv og en halv millioner kroner fra CLIMIT. Resultatene fra den direkte numeriske simuleringen av flammene ble presentert på den prestisjefulle konferansen 33rd International Symposium on Combustion i Beijing sommeren 2010.

Veien videre

De tre partnerne er snart klart for fase 2 i BIGH2 og er i forhandlinger om en ny konsortieavtale.

- Alstom har sagt seg villige til å være med i fase 2 og vil bidra med mye mer enn i fase 1. Da skal det bygges en prototype av et brennkammer. sier Gruber.

Uavhengig av BIGH2 fase 2 vil SINTEF også samarbeidet m​ed Sandia for å forstå flammen ved dysene enda bedre.

Lenker:

1820702 - BIGH2 - Enabling Pre-Combustion CCS Plants (SP 2, fase 1)​​​

​​​

 

project-news


CLIMIT © 2017