Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4482
Main Title: Influence of steam dilution and hydrogen enrichment on laminar premixed methane flames
Translated Title: Einfluss der Wasserdampfverdünnung und Wasserstoffanreicherung auf laminare vorgemischte Methanflammen
Author(s): Göckeler, Katharina
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Moeck, Jonas Pablo
Güthe, Felix
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In nassen Gasturbinen wird der Prozesswirkungsgrad erhöht, indem dem Arbeitsmedium aus der Restwärme des Abgases erzeugter Wasserdampf beigefügt wird. Das schnelle Lastwechselverhalten der einfachen Gasturbinenanlage bleibt erhalten, wodurch die intermittente Produktion erneuerbarer Energien zum Teil kompensiert werden kann. Neben dem Betrieb mit Erdgas, ermöglicht die Verbrennung bei hohen Dampfanteilen den Einsatz von reaktiveren Brennstoffen wie Wasserstoff. Die vorliegende Studie untersucht Ausgleichseffekte der Wasserdampfverdünnung und Wasserstoffanreicherung auf die Flammengeschwindigkeit von laminaren Vormischflammen. Der Einfluss der Dampfverdünnung auf die Kinetik der Hochtemperaturoxidation von Methan, Wasserstoff und angereichertem Methan (10% und 50% im Volumen) wird umfassend beschrieben. Laminare Flammengeschwindigkeiten wurden experimentell mit einem Schlitzdüsen-Brenner aus der Oberfläche der Bunsenflammen ermittelt. Die Flammenfront wurde aus Gradienten der Dichtverteilung lokalisiert, welche mittels der Quantitative Light Sheet (QLS) Methode bestimmt wurden. Die Flammengeschwindigkeit wird mit zunehmender Wasserstoffanreicherung erhöht, wodurch die Zündgrenzen zu magereren und nasseren Gemischen verschoben werden. Die relative Abnahme der Flammengeschwindigkeit mit der molaren Dampfkonzentration bei konstanten Vorwärmtemperaturen (473K) und Äquivalenzverhältnissen (0,7-1,3) ist für die Methan-basierten Gemische ähnlich, während sie für Wasserstoff weniger steil verläuft. Ein vorhandenes lineares Modell wurde zu einer exponentiellen semi-empirischen Korrelation weiterentwickelt, welche die Abnahme der Flammengeschwindigkeit mit sehr guter Übereinstimmung wiedergibt. Eindimensionale numerische Simulationen mit einer virtuellen inerten Spezies zeigten neben den physikalischen, thermischen und verdünnenden, Effekten einen nicht vernachlässigbaren chemischen Einfluss. Die vergleichsweise hohe Effizienz von Wasser als Stoßpartner erhöht den Umsatz entsprechender Reaktionen (H+O2+M=HO2+M, CH3+H+M=CH4+M, HCO+M=H+CO+M). Daraus ergibt sich im Wesentlichen die H-Radikalkonzentration für die entscheidende geschwindigkeitsbestimmende Reaktion (H+O2=OH+O). Darüber hinaus begünstigt der Dampf die Rückreaktionsraten einiger Reaktionen (2 OH=O+H2O, OH+H2=H+H2O, OH+CH3=CH2(s)+H2O). Als Folge ergibt sich eine geringere H- und O- sowie eine erhöhte OH-Radikalkonzentration gegenüber inerter Verdünnung. Dies führt zu verminderten NOx Emissionen durch den thermischem, N2O und NNH Bildungsweg, während promptes NO bei unter-stöchiometrischen Bedingungen kaum chemisch beeinflusst wird. Die genannten Mechanismen gelten in ähnlicher Weise für Methan und Wasserstoff angereichertes Methan. Die Kinetik der Wasserstoff Oxidation wird fast ausschließlich durch den katalytischen Effekt des Wassers beeinflusst. Die Wahl der Betriebsbedingungen ist entscheidend. Bei hohen Flammentemperaturen nimmt der katalytische Einfluss des Dampfes auf die Flammengeschwindigkeit ab. Eine Erhöhung des Äquivalenzverhältnisses bei verdünnten Bedingungen wirkt der verminderten H-Radikal Produktion entgegen und promptes NO wird erhöht. Werden die wenigen relevanten Einflüsse und Reaktionen aus dem Reaktionsschema entfernt, ergeben sich annähernd übereinstimmende Resultate für die Simulationen mit Dampf und virtuellem Wasser, was auf eine vollständige Identifizierung der chemischen Einflüsse hinweist.
In humidified gas turbines the working fluid is diluted with steam, generated from exhaust heat, for increasing the cycle efficiency. The fast load following performance of single-cycle gas turbines is maintained, which is beneficial for compensating for intermittent renewable energy production. In addition to operation on natural gas, combustion at highly steam-diluted conditions offers a possibility to stabilize flames of more reactive fuels such as hydrogen. The present study investigates the balancing effects of steam dilution and hydrogen enrichment on the burning velocity of laminar premixed flames. A comprehensive theory on the fundamental influence of steam dilution on the high temperature oxidation kinetics of methane, hydrogen-enriched methane (10% and 50% in volume), and hydrogen is provided. Laminar burning velocities were measured by determining the flame surface area of prismatic Bunsen flames stabilized on a slot-nozzle burner. The flame front was detected from spatial density gradients, obtained by employing the quantitative light sheet (QLS) technique. Burning velocities are increased with hydrogen enrichment, extending the flammability range towards leaner and more wet conditions. The relative decrease in burning velocity with steam mole fraction at constant preheat temperature (473K) and equivalence ratio (0.7-1.3) is very similar for the methane-based fuels, and differs from the less steep decrease for hydrogen fueled flames. An exponential semi-empirical correlation is derived, which describes the decrease in burning velocity with excellent agreement, extending an existing linear correlation. In addition to physical, thermal and dilutional, effects, one-dimensional simulations using an inert artificial species (virtual H2O) showed a non-negligible chemical influence of steam dilution. The comparatively high chaperon efficiency of steam promotes third body reactions of chain terminating character (H+O2+M=HO2+M, CH3+H+M=CH4+M) and less of chain carrying type (HCO+M=H+CO+M), which mainly determine the H radical concentration available for the principle chain branching reaction (H+O2=OH+O). In addition, steam dilution promotes the reverse reaction rates of a few reactions (2 OH=O+H2O, OH+H2=H+H2O, OH+CH3=CH2(s)+H2O). As a result, H and O radical concentrations are lower compared to inert dilution, whereas OH concentrations are higher. Reduced O and H radical concentrations restrain NOx formation in the thermal, N2O, and NNH pathways; the prompt pathway is only weakly influenced by chemical means at under-stoichiometric conditions. These mechanisms are similar for methane and hydrogen-enriched methane, whereas chemical effects of steam-dilution on hydrogen flames depend pre-dominantly on the catalytic promotion of chain terminating reactions. The choice of operating conditions is important. Catalytic participation of steam in reactions becomes less effective in reducing the burning velocity at higher flame temperatures. Increasing the equivalence ratio at steam-diluted conditions for maintaining the flame temperature counteracts the reduction of H radical concentrations, and NOx through the prompt pathway is increased. Eliminating the few relevant reactions, from which the chemical influence of steam dilution originates, returns almost identical results for simulations using H2O and virtual H2O, suggesting a comprehensive identification of the chemical effects of steam dilution.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-66682
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4779
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4482
Exam Date: 7-May-2015
Issue Date: 11-Jun-2015
Date Available: 11-Jun-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Gasturbinen
Wasserdampfverdünnung
laminare Flammengeschwindigkeit
Methan
Wasserstoff
Gas turbines
steam dilution
laminar burning velocity
methane
hydrogen
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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