NOx emissions and turbulent flow field in a partially premixed bluff body burner with CH4 and H2 fuels

Abstract

Available online xxxKeywords: Low-NO x burner Bluff body flow Nitrogen oxides Particle imaging velocimetry a b s t r a c t The increased need for fuel flexibility and CO 2 capture solutions (CCS) in the power and industrial sectors has led to higher focus on hydrogen containing fuels. The high reactivity and combustion temperature in hydrogen flames are a source of high nitrogen oxides (NO x ) and a barrier to the implementation of traditional dry lean premixed low NOx burner technology. The present experimental study investigates emissions of NOx and characterises the turbulent flow field above a promising burner concept based on partially premixed bluff body (PPBB) strategy. The PPBB burner configuration allows for a rapid mixing of fuel and air through multiple fuel injection in the accelerating air stream, followed by a flame stabilization process controlled by a bluff body. The measurements were conducted using methane, hydrogen, and a methaneehydrogen mixture 50/50 mass fraction as fuels and at various burner thermal loads ranging from 10 kW to 25 kW. The turbulent flow field characterisation was made by Particle Image Velocimetry (PIV) without the combustion chamber and in selected operation modes. Several burner parameters were varied, as the position of the bluff body and the fuel distribution. Shifting the burner lance controlling the bluff body position to accelerate the air flow resulted in lower NO x emissions, although negatively affecting the flame stability and generating incomplete combustion. Supplying fuel through secondary fuel ports had opposite effect on NO x emissions depending on the fuel: an increase for methane and a decrease for hydrogen. The temperature of the chamber has significant impact on NO x emissions and was quantified in the study with a 50% increase from a chamber temperature of 700 Ce1050 C. NO x emissions are generally higher as the hydrogen content in the fuel increases. The lowest achieved NO x emissions are 26 and 66 ppm at 3% O 2 dry for methane and hydrogen respectively.

Cold flow characteristics of a novel bluff body hydrogen burner

“…The study showed that the impact of secondary fuel on the burner performance is correlating strongly to the hydrogen concentration in the fuel as well as the lance height (i.e., elevation of the bluff body trailing edge in relation to the throat). The burner configurations assessed in the present study (i.e., 8 mm and 16 mm lance height) have been found to provide optimal emission performance for the PPBB burner operating with pure hydrogen and pure methane respectively [25].…”

“…The remaining 30% fuel mass flow is provided trough the secondary fuel ports downstream of the throat, which creates small regions of enriched mixture downstream of the bluff body trailing edge. Dutka et al [25] investigated the effect of different secondary fuel fractions on flame stability and NO x emissions. The study showed that the impact of secondary fuel on the burner performance is correlating strongly to the hydrogen concentration in the fuel as well as the lance height (i.e., elevation of the bluff body trailing edge in relation to the throat).…”

“…A more detailed descriptions of the underlying numerics of the SBES model is provided in section 3. All conducted numerical simulations were validated against the measurements obtained by Dutka et al [25,26].…”

Πειραματική Διερεύνηση Του Τυρβώδους Πεδίου Ανάμειξης Και Καύσης Σε Πρωτεύουσα Ζώνης Σταθεροποίησης Φλόγας Με Διαστρωμάτωση Μείγματος Και Υπό Την Επίδραση Ενός Συρρέοντος Δακτυλιοειδούς Στροβιλιζόμενου Ρεύματος

“…Πρόσφατα μια σειρά από διεργασίες σε συστήματα καύσης βασιζόμενες στις καινοτόμες τεχνολογίες: της μερικής προανάμειξης ή της διαστρωμάτωσης του μείγματος (Partially Premixing -Stratification) [3,4], της διαβαθμισμένης ανάμιξης μέσω αλληλεπίδρασης επάλληλων ανακυκλοφοριών [5][6][7], της καύσης υπό την επίδραση υψηλής προθέρμανσης των αντιδρώντων (High Temperature Air Combustion) με ή χωρίς αξιοποίηση της ανακυκλοφορίας των καυσαερίων (Exhaust Gas Recirculation) [8][9][10][11] έχουν αναδειχθεί ως μεθοδολογίες κατάλληλες, ώστε να επιτύχουν τους απαιτητικούς στόχους και να παρακάμψουν τα προβλήματα που ανακύπτουν από τη λειτουργία των συστημάτων πλήρους προαναμειγμένης καύσης π.χ. [4,5,[12][13][14].…”

“…Στόχος είναι η παραγωγή δύο ελαττωμένων μηχανισμών για το μεθάνιο και για το προπάνιο, για χρήση σε πολύπλοκες προσομοιώσεις LES [18]. Διατηρούνται συστατικά και αντιδράσεις, τα οποία στοχεύουν στην επιτυχή πρόβλεψη ενός εύρους πειραματικών συμπεριφορών της φλόγας που απαντώνται σε καταστάσεις προ-ανάμειξης ή διαστρωμάτωσης, πτωχής προς στοιχειομετρικής καύσης Υιοθετώντας μια γενική μεθοδολογία ελάττωσης, αναπτύχθηκαν ένας σκελετικός χημικοκινητικός μηχανισμός 22-συστατικών και ένας ημι-συνολικός 14-συστατικών για το μεθάνιο και ένας σκελετικός μηχανισμός 18-συστατικών και ένας ημι-συνολικός μηχανισμός 12 [147]. Στη συγκεκριμένη μεθοδολογία όταν γίνεται απλοποίηση ή συνδυασμός αντιδράσεων, υιοθετούνται γενικοί ρυθμοί αντίδρασης με απλές χημικο-κινητικές παραμέτρους, καταργώντας έτσι τους ρυθμούς αντίδρασης των ενδιαμέσων αντιδράσεων.…”