Prediction of NO$_\textrm{x}$ emissions for a hydrogen fueled industrial gas turbine combustor with water injection

Kroniger, Daniel; Sattelmayer, Thomas; Wirsum, Manfred Christian

doi:38052

Prediction of NO$_\textrm{x}$ emissions for a hydrogen fueled industrial gas turbine combustor with water injection = Vorhersage der NO$_\textrm{x}$ Emissionen einer wasserstoffbetriebenen Industriegasturbinenbrennkammer mit Wassereinspritzung

Kroniger, Daniel^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Kroniger

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xvi, 156 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wirsum, Manfred Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Sattelmayer, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-01-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-02596
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/756624/files/756624.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen und Institut für Dampf- und Gasturbinen (412510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
gas turbine combustion (frei) ; hydrogen (frei) ; NO$_\textrm{x}$ emissions (frei) ; water injection (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Prediction of NO$_\textrm{x}$ Emissions for a Hydrogen Fueled Industrial Gas Turbine Combustor with Water InjectionWasserstoff als Gasturbinenbrennstoff der Zukunft ist ein vielversprechender Ersatz für fossile Energieträger, da er mit Erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden kann und seine Verbrennung kein CO$_2$ emittiert. Durch seine im Vergleich zu Erdgas höhere Reaktivität kann er jedoch nicht in den aktuell für Erdgas verwendeten Vormischbrennkammern eingesetzt werden. Neben der zunehmenden Gefahr von Flammenrückschlag und Selbstzündung neigen wasserstoffhaltige Brennstoffe zudem aufgrund ihrer höheren Flammentemperaturen zu signifikant höheren NO$_\mathrm{x}$-Emissionen. Diesen kann bei einer nicht-vorgemischten Brennkammer mit Wassereinspritzung begegnet werden, die in der vorliegenden Arbeit Gegenstand der Untersuchung ist. Mittels eines Hochdruckbrennkammerprüfstands wird eine industrielle nicht-vorgemischte Gasturbinenbrennkammer unter realen Bedingungen charakterisiert. Im Fokus steht hierbei das NO$_\mathrm{x}$-Emissionsverhalten in Abhängigkeit vom Druck, vom Wasserstoffanteil im Brennstoff und von der Menge direkt eingespritzten Wassers. Für die vorliegende Brennkammergeometrie konnte ein signifikanter Anstieg der NO$_\mathrm{x}$-Emissionen bei Erhöhung des Drucks und des Wasserstoffanteils nachgewiesen werden. Des Weiteren erhöhen sich die Emissionen auch bei erhöhter Lufteintrittstemperaturen und Verringerung der Lufteintrittsgeschwindigkeit. Direkt in die Brennkammer eingespritztes Wasser senkt die NO$_\mathrm{x}$-Emissionen signifikant. In einer numerischen Untersuchung wird der Verbrennungsprozess innerhalb der Brennkammer mittels eines semi-empirischen chemischen Reaktornetzwerks modelliert und hiermit Flammentemperatur und Aufenthaltszeit abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen im gesamten Betriebsbereich eine gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten NO$_\mathrm{x}$-Emissionen. Eine detaillierte Untersuchung der chemischen Wirkung von Wasserstoff und direkt eingespritzten Wassers auf den Verbrennungsprozess zeigt neben dem Einfluss auf die Flammentemperatur wesentliche Einflüsse auf relevante Radikale und NO$_\mathrm{x}$-Bildungsmechanismen. Aus den gegebenen Erkenntnissen wird ferner ein vereinfachtes NO$_\mathrm{x}$-Modell abgeleitet. Auf der Basis von Korrelationen für die Flammentemperatur und die Aufenthaltszeit des Fluids in der Flamme wird eine Korrelation ermittelt, die die NO$_\mathrm{x}$-Emissionen unter der Berücksichtigung der wesentlichen chemischen Einflüsse von Wasserstoff und Wasser hinreichend vorhersagt. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, NO$_\mathrm{x}$-Emissionen unter ,realen` Druckbedingungen auf Basis von Verbrennungsversuchen bei niedrigerem Druck abzuschätzen.

Hydrogen is a promising alternative to fossil fuels for future gas turbines since it can be produced using renewable energy sources and uses CO$_2$-free combustion. However, due to its higher reactivity (when compared to natural gas) it cannot be used with the state-of-the-art premixed combustors developed for natural gas. Besides the risks of flame flashback and auto ignition, high hydrogen fuels tend to produce significantly higher NO$_\mathrm{x}$ emissions due to a the higher flame temperature. This study observes the effects of the use of a non-premixed combustor and water injection, which can reduce emissions. An industrial, non-premixed gas turbine combustor is measured and characterized at real conditions with a high-pressure combustion test rig. The focus of this study is on the NO$_\mathrm{x}$ emissions as a function of the pressure, the hydrogen content in the fuel, and the amount of directly-injected water. A significant increase in NO$_\mathrm{x}$ emissions for increasing pressure and hydrogen share is shown using the experimental combustor geometry. Furthermore, the emissions increase at elevated air inlet temperature and reduced air inlet velocity. Water directly-injected into the combustor significantly reduces the NO$_\mathrm{x}$ emissions. A numerical investigation of the combustion process within the combustor is performed with a semi-empirical chemical reactor network model that derives the flame temperature and residence time. The results show a good agreement with the experimentally determined NO$_\mathrm{x}$ emissions over the entire range of operating conditions. Besides the effect of the flame temperature, a detailed analysis of the chemical effect of hydrogen and directly-injected water on the combustion process shows a significant impact of the relevant radicals and NO$_\mathrm{x}$ formation mechanisms. Furthermore, a simplified NO$_\mathrm{x}$ model is derived based on the findings. With the help of correlations for flame temperature and fluid residence time in the flame, a correlation is developed that predicts the NO$_\mathrm{x}$ emissions taking the substantial chemical effects of hydrogen and water into account. This opens the possibility to estimate the NO$_\mathrm{x}$ emissions at `real' pressure conditions on the basis of low pressure combustion tests.

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