Tecnologie avanzate di combustione dell Idrogeno

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1 Tecnologie avanzate di combustione 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 1

2 Tecnologie avanzate di combustione dell Idrogeno : SOMMARIO Obiettivi e programmi; Caratteristiche del vettore H2; Regimi di combustione; Combustione MILD: teoria e sviluppi applicativi; Ricerca fenomenologica di base le tecniche numeriche; Facility sperimentali; Diagnostica avanzata. 2

3 Combustione di H2: un approccio di tipo graduale Due obiettivi di fondo: Lo upgrade di bruciatori e camere di combustione di derivazione classica, per renderli compatibili con l utilizzo di combustibili ad alto tenore di H2 (< 40-50%), tipicamente syngas; Il progetto e lo sviluppo di nuovi dispositivi, in grado di trattare H2 puro (comburente: Aria -> Ossigeno). A questi risultati si intende pervenire attraverso il progressivo scale up applicativo. 3

4 Combustione di H 2 : strumenti ( i ferri del mestiere) L attività di ricerca procede su binari paralleli e sinergici: Numerica avanzata su piattaforme H/W ad alte prestazioni e lo sviluppo di modelli di combustione turbolenta; Modellistica di cinetica chimica (schemi cinetici dettagliati e ridotti); Sperimentazione su impianti ENEA e su facility dei partner lo sviluppo metodi diagnostici avanzati; 4

5 Caratteristiche H 2 E estremamente leggero (1/14dell aria) E gassoso a temperatura ambiente e fino a 20.3K Ha un vasto campo di infiammabilità Ha una produzione 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 H2 / Aria CH4 / Aria H2 / O2 Potere Calorifico Infer./Super. (kcal/kg) 28681/ / Velocità combustione teorica (m/s) 2,7 0,37 11,7 Temperatura adiabatica di combustione ( C) Limiti di infiammabilità (in %)

6 Applicazione di H 2 in Turbo-Gas: stato dell arte Applicazione su Turbo-Gas convenzionali per HC/Aria Risultati scarsi (fiamme lunghe, eccessivi NO x ) Occorre riprogettare il bruciatore appositamente per l H 2 Il breve ritardo di ignizione consente bruciatori più corti, riducendo così i tempi di residenza e gli NO x 6

7 Regimi di Combustione 1/2 Combustione diffusiva : I reagenti, inizialmente separati, si mescolano nella camera di combustione Ampio range di Φ OK! Elevate temperature ed alte emissioni NO x KO! Combustione premiscelata : I reagenti entrano nella camera di combustione già mescolati Controllo su Φ: Φ < 1 T MAX e NO x Problemi di stabilità di fiamma per miscele magre KO! Problemi di flash-back KO! OK! 7

8 Regimi di Combustione 2/2 Elemento 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 combustione Mitigare le temperature in gioco, e renderle compatibili con i materiali Contenere le emissioni di NOx (nel caso di combustione con aria) 8

9 MILD combustion Burner 100kW: BTZ oil; Air 250 C; O2% = 21% Burner 100kW: BTZ oil; Air 500 C; O2% = 12% Cortesia ANSALDO Caldaie 9

10 MILD Combustion 2/3 T Tmax in flame T Fiamma convenzionale (comb. di superficie) GAS central injection combustion AIR A R I A T process T combustion air x/d T GAS A high temp. R combustion AIRI A internal recirculation Tmax in flame T T process T combustion air x/d Combustione MILD (comb. di volume) Cortesia CSM 10

11 MILD combustion 3/ ,0 Temperature profiles (y = 0 : burner axis) Profili di temperatura 1400,0 flox 1250 C T ( C) 1350,0 1300,0 flame 1250 C 1250,0 NOx emissions in flue gas 1200,0 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 250,00 furnace axis (x/l) Emissioni di NOx mg/nm3 (3% O2) 200,00 150,00 100,00 50,00 flame MILD Dati ENEA 0, C 11

12 MILD Combustion di H 2 Simulazione ENEA 12

13 MILD combustion reactor: H 2 ; 17 bar O2 molar fraction (%vol) : feed: 14% ; recirc.: 13% 432 C 432 Kg/sec air H2 air 25 C 4.04 Kg/sec 3052 Kg/sec 1116 C feed MIX recirculation COMBUSTION 1236 C 1236 C 2616 Kg/sec 3052 Kg/sec Total burnt gases 1236 C 436 Kg/sec Exhaust gas to turbine MWe gas turbine operating at 17 bar with efficiency; - a very lean mixture has been considered (F = 0.14) Simulazione ENEA 13

14 Trapped Vortex Combustion (TVC) Strategy 1/2 Creare un vortice stabile entro una cavità, dove il combustibile e l ossidante sono iniettati, miscelati, e bruciano con minima perdita di carico L ancoraggio della fiamma è assicurato dalla ricircolazione di prodotti di combustione caldi 14

15 TV Combustion Strategy: Hydrogen results (H 2 vel. = 186 m s) 2/2 Vortice stabile Combustione quasi completa (efficienza prossima ad 1: η b =0.9) Perdite di pressione contenute: p tot /p tot =0.614%, e comparabili a quelle con altri combustibili Simulazione ENEA 15

16 Ricerca fenomenologica di base Parallelamente allo studio di geometrie possibili per una combustione efficiente e stabile di H2, vi è un attività teorico/sperimentale di base, che tende: all acquisizione di conoscenze sulla fenomenologia alla validazione di metodi di progettazione affidabili 16

17 300 z [mm] 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 mm 17

18 T = 9.1 ms f = Hz

19 T = 9.1 ms f = Hz

20 T [K] T [K] Andamenti di temperatura : comparazione tra RANS e LES x/d=24 x= 225mm x/d= y [mm] Il fenomeno fisico è previsto correttamente con Large Eddy Simulation. RANS LES misure Simulazione ENEA 20

21 Facility sperimentali IMPIANTO MICOS 21

22 MICOS 2/2 IMPIANTO MICOS Test Rig policombustibile portata di flamal portata di metano portata di idrogeno portata di ossigeno portata di aria potenza termica da 0 a 16 Nm3/h da 0 a 30 Nm3/h da 0 a 30 Nm3/h da 0 a 60 Nm3/h da 0 a 90 Nm3/h da 50 a 330 KWt 22

23 Impianto IDEA Azoto Idrogeno P T fiamma pilota Rivelatore di fiamma Ossigeno Idrolizzatore P T Vapore T P Accenditore T P Misuratore di portata Combustore e Canale di prova Caldaia 23

24 Impianto BAGIT (Biomass and Gas Integrated CHP Technology) 24

25 Dry Low NOx Burner CH4 E.C.-BAGIT Project (Biomass and Gas Integrated CHP Technology) Gasifier Biomass 2MWe C T Biogas CH4 Exhaust gas Air Exhaust gas BAGIT Burner Boiler water Combustione TEG-MILD (Turbine Exhaust Gas) 25

26 Metodi diagnostici 26

27 PIV MEASUREMENTS (velocimetria laser) Mie Scattering Image 60 m/s x (mm) PIV Velocity Map y(mm) Dati ENEA 27

28 Misure CARS (spettroscopia laser) Dati ENEA 28

29 Spettroscopia ottica in emissione naturale Spettro metano/aria Dati ENEA 29

30 Spettroscopia ottica in emissione naturale (immagini di CH a 1150 C) Dati ENEA 30

31 Laboratorio mobile di diagnostica delle emissioni (capacità di operare in campo). 31

32 Diagnostica e monitoraggio dei fenomeni di instabilità 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 Dati ENEA Cortesia ENE-SIST 32

33 GRAZIE PER LA VOSTRA ATTENZIONE! Quito (Ecuador) Merienda a la guarderìa Terre des hommes si occupa dei bambini bisognosi di aiuto in tutto il mondo. Per saperne di più : 33