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Investigation of zero-emission hydrogen oxyfuel flames

Tanneberger, Tom

Energiespeicherung gilt als eine der großen Aufgaben bei der Energiewende. Quellen wie Wind und Sonne sind zwar erneuerbar aber nicht konstant. Sie erfordern daher eine Zwischenspeicherung um Produktion und Verbrauch zu synchronisieren. Ein vielversprechendes Speichermedium ist sog. grüner Wasserstoff, der aus Wind- oder Solarstrom hergestellt wird. Für die Rückverstromung eignet sich neben der Brennstoffzelle die Verwendung von Verbrennungstechnologie. Zu diesem Zweck wurde in der vorliegenden Arbeit ein Laborbrenner entwickelt und untersucht, der Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) im stöchiometrischem Verhältnis zu Wasserdampf verbrennt, ohne dabei umweltschädliche Stoffe auszustoßen. Der Brenner ermöglicht somit die emissionsfreie Umwandlung von gespeichertem Wasserstoff in Strom und Wärme. Die Entwicklung des Brenners basiert auf der drall-stabilisierten Verbrennung, wie sie als optimiertes und erprobtes Konzept in modernen Gasturbinen üblich ist. Allerdings birgt die extrem hohe Reaktivität von H2/O2-Gemischen sehr viel größere Herausforderungen als die Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Luft. Dazu zählen vor allem die hohen Flammentemperaturen und Brenngeschwindigkeiten, sowie die notwendige Verbrennungseffizienz. Im Rahmen der Arbeit wurden umfangreiche Studien zum atmosphärischen Brennverhalten des entwickelten Brenners durchgeführt. Es wird gezeigt, dass Flammen- und Wandtemperatur der Brennkammer durch Verdünnung der Flamme mit Dampf stark reduziert werden können, was die thermische Belastung des Systems reduziert. Der Grad der Verdünnung Ω ist dabei ein entscheidender Parameter in dieser Arbeit, da er gemeinsam mit der Flammenleistung die Dampftemperatur am Auslass bestimmt. Diese ist für den Operationsbereich des Brenners in der realen Anwendung ausschlaggebend. Bei ausreichender Drallstärke der Strömung, ermöglicht der entwickelte Brenner eine stabile Drallflamme über einen sehr breiten Bereich von Ω. Die obere Grenze des Einsatzbereiches liegt etwa bei einer Verdünnung von Ω=6.5, was bedeutet, dass 6.5-mal mehr Wasserdampf zur Verdünnung dazu gegeben wird, als die Flamme selbst erzeugt. Flammen mit solch hohem Ω lassen sich optimal zur Über- und Zwischenerhitzung von Dampfströmen in einem Kreisprozess einsetzen, wo dem Dampfstrom primär Wärme und nicht Masse hinzugeführt werden soll. Die Arbeit zeigt, dass die obere Grenze dabei nicht durch das Erlöschen der Flamme gegeben ist, sondern durch ihre Verbrennungseffizienz, die bei zu hoher Verdünnung abfällt. Eine hohe Verbrennungseffizienz ist allerdings in einem H2/O2-Brenner absolut notwendig, da der produzierte Dampf sonst H2 und O2 enthalten kann, was die restlichen Komponenten des Kraftwerkes beschädigen würde. Für die Evaluierung der Verbrennungseffizienz wird in der Arbeit, zum ersten Mal bei H2/O2 Flammen, ein zeitaufgelöstes System genutzt. Das System basiert auf der Bestimmung der O2 Konzentration im Abgas mittels Absorptionsspektroskopie und die durchgeführten Messungen legen nahe, dass sich das System vor allem im gekoppelten Einsatz mit einer Lambdasonde bewährt. Mit diesem Messsystem ist es möglich die Verbrennungseffizienz live zu überwachen, was für die Verwendung in Kraftwerksprozessen sehr vorteilhaft ist. Der Brenner besitzt bei den atmosphärischen Tests in dieser Arbeit noch keine perfekte Verbrennungseffizienz. Eine Parameterstudie des Brennerdesigns zeigt jedoch, dass die Verbrennungseffizienz durch erhöhten Drall und eine höhere Leistungsdichte gesteigert werden kann. Gleichzeitig weist der Brenner auch bei höherer Leistungsdichte keinerlei Beschädigungen oder Verschleißerscheinungen auf. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Arbeit, wird die technische Umsetzbarkeit der dampfverdünnten H2/O2-Verbrennung für Kraftwerksprozesse als sehr positiv eingeschätzt.
Energy storage is regarded as one of the major tasks in the transition from fossil to renewable energy generation. Sources such as wind and sun are volatile and require intermediate storage to synchronize production and consumption. A promising storage medium is green hydrogen (H2), which is produced from wind or solar power. Besides the fuel cell, combustion is a suitable technology for re-generating electricity from H2. For this purpose, a laboratory burner was developed and investigated in the present thesis. The burner converts H2 and oxygen (O2) in the stoichiometric ratio to water vapor without generating environmentally harmful emissions. The burner thus enables the emission-free conversion of stored hydrogen into electricity and heat. Its development was based on swirl-stabilized combustion, which is an optimized and proven concept common in modern gas turbines. However, the combustion of H2 and O2 is much more challenging than burning fossil fuels due to its exceptionally high reactivity. The challenges include the high flame temperature and speed, and the required combustion efficiency. In the course of the work, extensive studies were carried out on the atmospheric combustion behavior of the developed burner. It is shown that flame and wall temperatures of the combustion chamber can be significantly lowered by diluting the flame with steam, which reduces the thermal load on the system walls. The degree of dilution Ω is a crucial parameter in this thesis because it determines (together with the flame power) the combustor outlet temperature, which is the decisive boundary condition in real applications. With sufficient swirl intensity of the flow, the developed burner allows a stable swirl flame over a wide range of Ω. The upper limit of this range is approximately at a dilution of Ω=6.5, which means that 6.5 times more steam is added as dilution than the flame produces itself. Flames with such a high Ω can be optimally used for super- and intermediate heating of steam flows in a cyclic process where heat rather than mass addition is required. The thesis shows that the upper limit of Ω is not given by the cold blow-off, but by the flame's combustion efficiency, which drops when the flame is diluted too strong. However, high combustion efficiency is necessary for an H2/O2 burner, because otherwise, the produced steam could contain H2 and O2, which would damage the remaining components of the power plant. In the thesis, a system is deployed that evaluates the combustion efficiency time-resolved, which was not done before for H2/O2 flames. The system is based on the determination of the O2 concentration in the flue gas by absorption spectroscopy, and the measurements performed suggest that the system is particularly suitable in combination with a lambda sensor. Such a measurement system enables live monitoring of the combustion efficiency, which is very advantageous for the power plant operation. During the atmospheric tests conducted in this thesis, the burner did not present a perfect combustion efficiency. However, a parameter study of the burner design indicates that enhanced swirl intensity and a higher power density can increase the combustion efficiency. At the same time, the burner shows no signs of damage or fatigue even at higher power density. Based on the findings of this thesis, the technical feasibility of steam-diluted H2/O2 combustion for power plant processes is assessed as very positive.