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Tecnologie avanzate dicombustione dell’ Idrogeno
.
Stefano Giammartini
Sezione Impianti e Processi Energetici
Si ringraziano:
N.Arcidiacono; A.Assettati; C.Benedetti; G.Calchetti; M.Canti; M.Caprabianca; L.Castellazzi; M.D’Apice; B.DeSilvestris; F.DiCarlo; M.Diamanti; E.Giacomazzi; A.Grasso; P.Incalcaterra; V.Lombardi; M.Losurdo; F.Manfredi; C.Mongiello; M.Marrocco; F.R.Picchia; F.Pieroni ;M.Rufoloni; B.Sardella; M.Subrizi; V.Visentin
per la fattiva collaborazione
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Tecnologie avanzate di combustionedell’ Idrogeno : SOMMARIO
Obiettivi e programmi;Caratteristiche del vettore H2;Regimi di combustione;Combustione MILD: teoria e sviluppiapplicativi;Ricerca fenomenologica di base – letecniche numeriche;Facility sperimentali;Diagnostica avanzata.
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3
Combustione di H2: un approccio ditipo gradualeDue obiettivi di fondo:
Lo “upgrade” di bruciatori e camere di combustionedi derivazione “classica”, per renderli compatibilicon l’utilizzo di combustibili ad alto tenore di H2
(< 40-50%), tipicamente syngas;Il progetto e lo sviluppo di nuovi dispositivi, ingrado di “trattare” H2 puro (comburente: Aria ->Ossigeno) .
A questi risultati si intende pervenire attraverso ilprogressivo “scale up” applicativo.
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Combustione di H2 : strumenti( i ferri del mestiere)
L’attività di ricerca procede su binariparalleli e sinergici:
Numerica avanzata su piattaforme H/W ad alteprestazioni e lo sviluppo di modelli di combustioneturbolenta;Modellistica di cinetica chimica (schemi cineticidettagliati e ridotti);Sperimentazione su impianti ENEA e su facility deipartner – lo sviluppo metodi diagnostici avanzati;
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Caratteristiche H2
produzione
E’ estremamente leggero (1/14dell’aria) E’ gassoso a temperatura ambiente e fino a 20.3K Ha un vasto campo di infiammabilità Ha una bassa densità energetica per unità di volume Ha un’alta densità energetica per unità di peso. Ha un’alta temperatura adiabatica (teorica) di fiamma. Ha un’elevata velocità di combustione
4 - 945 - 154 - 75Limiti di infiammabilità(in %)
297419182045Temperatura adiabaticadi combustione (°C)
11,70,372,7Velocità combustioneteorica (m/s)
-11942/1326528681/33944Potere CalorificoInfer./Super. (kcal/kg)
H2 / O2CH4 / AriaH2 / Aria
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Applicazione su Turbo-Gas convenzionali perHC/Aria → Risultati scarsi (fiamme lunghe,eccessivi NOx)Occorre riprogettare il bruciatoreappositamente per l’H2
Il breve ritardo di ignizione consentebruciatori più corti, riducendo così i tempidi residenza e gli NOx
Applicazione di H2 in Turbo-Gas:stato dell’arte
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Regimi di Combustione 1/2Combustione diffusiva : I reagenti, inizialmenteseparati, si mescolano nella camera di combustione
Ampio range di ΦElevate temperature ed alte emissioni NOx
Combustione premiscelata : I reagenti entranonella camera di combustione già mescolati
Controllo su Φ: Φ < 1 → TMAX↓ e NOx↓Problemi di stabilità di fiamma per miscelemagreProblemi di flash-back
OK !
OK !
KO !
KO !
KO !
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Regimi di Combustione 2/2Elemento di innovazione proposto:MILD Combustion (Moderate and Intense Low
oxygen Dilution) o Flamless Combustion,3 aspetti positivi per combustione di idrogeno:
Favorire il controllo della combustioneMitigare le temperature in gioco, e renderlecompatibili con i materialiContenere le emissioni di NOx (nel caso dicombustione con aria)
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9
MILDcombustion
Burner 100kW: BTZ oil; Air 250°C;O2% = 21%
Burner 100kW: BTZ oil; Air 500°C;
O2% = 12%
Cortesia ANSALDO Caldaie
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MILD Combustion 2/3
ARIA
Tprocess
T combustion air
T
Tmax inflame ∆∆∆∆T
x/d
ARIA
T process
T combustion air
TTmax inflame
∆∆∆∆T
x/d
GAS
high temp.combustion AIR
combustionAIR
GAS centralinjection
internalrecirculation
Fiamma convenzionale(comb. di superficie)
Combustione MILD(comb. di volume)
Cortesia CSM
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11
MILD combustion 3/3.
Temperature profiles(y = 0 : burner axis)
1200,0
1250,0
1300,0
1350,0
1400,0
1450,0
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80
furnace axis (x/L)
T (°
C)
flox 1250°Cflame 1250°C
NOx emissions in flue gas
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
950 1000 1050 1100 1150°C
mg/
Nm3
(3%
O2)
flameMILD
Profili ditemperatura
Emissioni di NOx
Dati ENEA
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MILD Combustion di H2
Simulazione ENEA
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MILD combustion reactor: H2 ; 17 bar
COMBUSTION H2 air
air MIX
feed Exhaust gas to turbine
recirculation
Total burnt gases
432 432 °C432432 Kg/sec
25 25 °C
4.044.04 Kg/sec
30523052 Kg/sec
1116 1116 °C
1236 1236 °C
30523052 Kg/sec
1236 1236 °C
26162616 Kg/sec
1236 1236 °C436436 Kg/sec
- 188 MWe gas turbine operating at 17 bar with 0.393 efficiency;
- a very lean mixture has been considered (F = 0.14)
O2 molar fraction (%vol) : feed: 14% ; recirc.: 13%
Simulazione ENEA
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Trapped Vortex Combustion (TVC)Strategy 1/2
•Creare un vorticestabile entro una cavità,dove il combustibile el’ossidante sono iniettati,miscelati, e bruciano conminima perdita di carico
•L’ancoraggio della fiammaè assicurato dallaricircolazione di prodottidi combustione caldi
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TV Combustion Strategy:Hydrogen results (H2 vel. = 186 m|s)
Simulazione ENEA
2/2
Vortice stabile
Combustione quasi completa (efficienzaprossima ad 1: ηb=0.9)
Perdite di pressionecontenute: ∆ptot/ptot=0.614%,e comparabili a quellecon altri combustibili
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Ricerca fenomenologica di base
Parallelamente allo studio di geometrie “possibili” per una combustione efficiente e stabile di H2, vi èun’attività teorico/sperimentale di base, che tende:•all’acquisizione di conoscenze sulla fenomenologia•alla validazione di metodi di progettazione affidabili
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Large Eddy Simulation
Tecnica di modellizzazione innovativa:• Simulazione diretta dei vortici di grande
scala• Modellazione di quelli di piccola scala
Posizioni giustificate da:• Quantità di moto, massa ed energia influenzate
da strutture di grande scala• Le strutture di grande scala dipendono dalla
geometria del “caso”, molto più delle piccole• Le strutture di piccola scala possono essere
adeguatamente modellate 50 mm
300
200
100
z [mm]
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18T = 9.1 ms∆∆∆∆f = 110 Hz
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19T = 9.1 ms∆∆∆∆f = 110 Hz
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20
250500750
10001250150017502000
0 5 10 15 20 25 30 35 40y [mm]
T [K
]
Andamenti di temperatura :comparazione tra RANS e LES
Il fenomeno fisico è
previsto correttamente
con Large Eddy
Simulation.
x= 225mm250500750
10001250150017502000
T [K
]
x/d=24
x/d=16
RANS
LES
m isure
Simulazione ENEA
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21
Facility sperimentaliIMPIANTO MICOSIMPIANTO MICOS
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22
IMPIANTO IMPIANTO MICOS MICOS 2/22/2
portata di flamal da 0 a 16 Nm3/h portata di metano da 0 a 30 Nm3/h portata di idrogeno da 0 a 30 Nm3/h portata di ossigeno da 0 a 60 Nm3/h portata di aria da 0 a 90 Nm3/h potenza termica da 50 a 330 KWt
Test Rig policombustibile
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23
Impianto IDEAImpianto IDEA
fiam m a p ilo ta
C aldaia
Idrolizzatore
C om bustore eC anale di prova
V apore
O ssigeno
Idrogeno
M isura tore di portata
A zoto
A ccenditore
R ivela tore di fiam m a
T
P
P
P
P
T
T
T
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Impianto BAGITImpianto BAGIT (Biomass and Gas Integrated CHP Technology)
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25
E.C.-BAGIT Project(Biomass and Gas Integrated CHP Technology)
BAGITBurner
Gasifier
CH4
CH4 Exhaust gas
Biomass
Exhaust gas
Air
2MWe Biogas
Dry Low NOxBurner
C T
CombustioneTEG-MILD(Turbine Exhaust Gas)
Boiler
water
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Metodi diagnostici
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27
20 40 60y (mm)
0
10
20
30
40
50
60
x(m
m)
4.84.54.23.93.63.22.92.62.32.01.71.41.10.80.5
m/s
Mie Scattering Image
PIV Velocity Map
Dati ENEA
PIV MEASUREMENTS(velocimetria laser)
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28
Misure CARS (spettroscopia laser)
Dati ENEA
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29
Spettroscopia ottica in emissionenaturale
Spettro metano/aria
Dati ENEA
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Spettroscopia ottica in emissione naturale(immagini di CH a 1150°C)(immagini di CH a 1150°C)
Dati ENEA
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Laboratorio mobile di diagnostica delleemissioni (capacità di operare in campo)
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Diagnostica e monitoraggio deifenomeni di instabilità
Dati ENEA
Cortesia
ENE-SIST
sistema di monitoragio, sviluppato da ENEA, basato sul concetto che“la fluttuazione della luminosità, emessa dal processo di combustione,è fortemente correlata con la fluttuazione del segnale di pressione”
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Quito (Ecuador) – Merienda a la guarderìaTerre des hommes si occupa dei bambini bisognosi di aiuto in tutto il mondo. Per saperne di più : www.tdhitaly.org
GRAZIE PER LA VOSTRA ATTENZIONE !