Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3450
Main Title: Ultra wet combustion
Subtitle: An experimental and numerical study
Translated Title: Nasse Verbrennung
Translated Subtitle: eine experimentelle und numerische Untersuchung
Author(s): Göke, Sebastian
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wird der Verbrennungsvorgang in der innovativen „Ultra-Nassen“ Gasturbine untersucht. Dabei wird die Wärme des Abgases genutzt um Wasserdampf zu erzeugen, der anschließend in die Brennkammer eingespeist wird. Mit diesem Verfahren wird die Effizienz der Gasturbine signifikant gesteigert und gleichzeitig die NOx-Emissionen reduziert. Zusätzlich können auch wasserstoffhaltige Brennstoffe aus der Biomasse- oder Kohlevergasung sauber und effizient eingesetzt werden. Die erzielte Effizienz ist ähnlich hoch wie bei modernen GuD-Kraftwerken, allerdings bietet die Ultra-Nasse Gasturbine niedrigere Installationskosten und Stromerzeugungskosten. Die Herausforderung bei der Realisierung der Ultra-Nassen Gasturbine ist die Brennkammer, die eine stabile und saubere Flamme bis zu sehr hohen Dampfmengen für verschiedenste Brennstoffe garantieren muss. Diese Arbeit hat zwei übergeordnete Ziele: Die technische Machbarkeit der Ultra-Nassen Verbrennung wird experimentell gezeigt. Anschließend wird der Einfluss des Dampfes auf die Verbrennung von Methan und Wasserstoff im Detail untersucht. In atmosphärischen Experimenten wird die Verbrennung bis hin zu hohem Dampfanteil untersucht. Dazu wird ein magerer Vormischbrenner genutzt, der es erlaubt, verschiedene geometrische Parameter wie Drallzahl, Brennstoffeindüsung, Brennkammervolumen und Aufenthaltszeit zu variieren. Der Einfluss dieser Parameter auf die Flammenstabilität und Emissionsentstehung wird untersucht und es wird eine Konfiguration identifiziert, mit der Erdgas und sogar reiner Wasserstoff bei sehr niedrigen Emissionen verbrannt werden kann. Dabei werden hohe Dampfmengen (bezogen auf den Luftmassenstrom) von 35% für Erdgas und 50% für Wasserstoff erzielt. Weitere Experimente werden mit einem gestuften fett-mager-Brenner durchgeführt. Bei diesem Verbrennungsprinzip ist der Betriebsbereich durch den Dampf kleiner als bei der Vormischverbrennung und es werden auch nicht die hohen Dampfmengen erreicht. Trotzdem ist auch dieses Prinzip für die Nasse Verbrennung geeignet. In dem weiteren Teil der Arbeit wird der Verbrennungsprozess in beiden Brennkammertypen mit Reaktornetzwerken numerisch modelliert. Die Modelle werden mit experimentellen Daten validiert und zeigen über den gesamten Betriebsbereich der Experimente eine exzellente Übereinstimmung für NOx- und CO-Emissionen. Die Reaktornetzwerke werden anschließend für eine tiefere Untersuchung des Einflusses des Dampfes auf die Verbrennung genutzt. Es wird gezeigt, dass der Dampf einen chemischen Einfluss hat und die Konzentrationen der wichtigsten Radikale verändert. Dies führt auch zu einer starken Reduktion der NOx-Emissionen. Dieser chemische Einfluss des Dampfes ermöglicht saubere und effizientere Verbrennung von unterschiedlichsten Brennstoffen und sogar reinem Wasserstoff in der Ultra-Nassen Gasturbine.
In the ultra-wet gas turbine, large quantities of steam are injected into the combustor to significantly increase the efficiency, reduce NOx emissions, and to enable the clean and efficient combustion of hydrogen-rich fuels from biomass or coal gasification. It offers efficiencies similar to state-of-the-art combined cycle power plants, but with lower installation costs and cost of electricity. The ultra-wet gas turbine can have very short start-up times, and thus, is suited to support the fluctuating power generation from renewables. The core technology of this new gas turbine cycle is the combustor, which must provide a stable flame with low emissions up to very high steam contents and for a wide range of fuels. In the present work, methane and hydrogen flames with high degrees of steam dilution are investigated and the technical feasibility of the ultra-wet combustion process is shown. Atmospheric experiments are conducted on a generic, lean premixed combustor. Various combustor design parameters such as swirl intensity, fuel injection strategy, combustor volume, and residence time are investigated with respect to flame stabilization and emission formation of the steam-diluted flame. Based on this work, a combustor design is developed, which is capable of burning methane and hydrogen at low emissions and up to very high steam-to-air mass ratios of 35% for methane and 50% for hydrogen. Further experiments are conducted with a Rich-Quench-Lean (RQL) combustor, which is commonly used in aeroderivative gas turbines. Flame blowout occurs at lower steam contents than in the lean premixed combustor prototype, but also the RQL concept is suited for implementation in a humid gas turbine. In the second part of the thesis, the combustion process in both combustors is modeled using chemical reactor networks. The models are validated with the experimental results and show excellent agreement with the measured NOx and CO emissions over the complete range of operating conditions, including fuel composition and steam content. The reactor networks are subsequently used to gain a detailed understanding of the influence of the steam. It is shown that the steam has a strong chemical effect on the combustion process. The steam leads to a changed radical pool and strongly affects the NOx formation pathways. The chemical influence of the steam in the hydrogen flame allows for the efficient and clean combustion of this fuel in the ultra-wet gas turbine.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-38018
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3747
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3450
Exam Date: 11-Dec-2012
Issue Date: 19-Dec-2012
Date Available: 19-Dec-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Emissionsentstehung
Gasturbinenbrennkammer
Nasse Verbrennung
Reaktornetzwerk
Verbrennung
Combustion
Emission formation
Gas turbine combustor
Reactor network modelling
Wet combustion
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA) » Publications

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