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Tecnologie avanzate dicombustione dell’ Idrogeno

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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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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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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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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]

18T = 9.1 ms∆∆∆∆f = 110 Hz

19T = 9.1 ms∆∆∆∆f = 110 Hz

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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Facility sperimentaliIMPIANTO MICOSIMPIANTO MICOS

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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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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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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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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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Misure CARS (spettroscopia laser)

Dati ENEA

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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 !