Numerical Optimization of the Nozzle Air Inlet Structure in H 2 -CH 4 Micromix Combustor

Terwijl de wereld streeft naar een overgang weg van fossiele brandstoffen, wordt van gasturbines gevraagd om iets te doen waar ze nooit voor ontworpen zijn: het verbranden van waterstof naast aardgas. Waterstof is een schone brandstof die geen koolstofdioxide produceert bij verbranding, maar het is ook ongelooflijk reactief. Wanneer het wordt gemengd met lucht, brandt het zo snel en heftig dat het de vlam kan doen terugvlammen in de brandstoftoevoer of intense, gelokaliseerde hete plekken kan creëren die schadelijke stikstofoxiden genereren. Om dit op te lossen, hebben ingenieurs een concept ontwikkeld genaamd micromix-verbranding. In plaats van één grote vlam, gebruikt deze aanpak honderden kleine kanaaltjes om een uitgestrekt veld van microscopische vlammen te creëren. Door de brandstof en lucht in kleine, afzonderlijke jets op te delen, vindt de menging bijna onmiddellijk plaats, wat de vorming van hete plekken voorkomt en de emissies laag houdt. Echter, voor dit systeem te kunnen werken, moeten de brandstof en de lucht met extreme precisie worden gemengd voordat ze überhaupt ontsteken. Als het mengsel ongelijkmatig is, verdwijnen de voordelen van de kleine vlammetjes.

Een team van onderzoekers van China's National Energy Group en onderzoeksinstituten zette zich het doel om het ontwerp van de nozzle die dit mengsel levert, te perfectioneren. Hun doel was om de beste manier te vinden om de gaten te rangschikken waar lucht de nozzle binnenkomt, om ervoor te zorgen dat het perfect mengt met de waterstof- en methaanbrandstof. Ze bouwden geen fysiek prototype om in een laboratorium te testen; in plaats daarvan gebruikten ze krachtige computersimulaties om de gasstroom te modelleren. Deze simulaties stelden hen in staat om te zien hoe lucht en brandstof interageren binnen de nozzle, waarbij ze volgden hoe de gassen ronddraaien, botsen en mengen onder verschillende omstandigheden. De onderzoekers concentreerden zich op een specifiek type nozzle waarbij lucht via de zijwanden binnenkomt en botst met brandstof die vanuit de onderkant komt, wat een turbulente omgeving creëert die de twee gassen naar elkaar toe dwingt.

Het team begon met het testen hoe het aantal luchtgaten het mengproces beïnvloedde. Ze vergeleken een eenvoudig ontwerp met een enkele laag van vier gaten tegen complexere arrangementen met acht en twaalf gaten. Ze ontdekten dat het toevoegen van meer lagen gaten een kettingreactie van kolkende luchtstromen creëerde. Wanneer lucht vanuit de zijkanten naar buiten schiet, blokkeert dit het opwaartse pad van de brandstof, waardoor de brandstof gedwongen wordt rond te draaien en een vortex, of een draaiende zak van lucht, nabij de bodem te creëren. Bij een enkele laag gaten sterft deze draaiende beweging snel uit. Maar bij twee of drie lagen vangt de lucht uit de bovenste gaten de draaiende beweging van de onderste op, waardoor een tweede, derde en zelfs meer vortexen ontstaan terwijl het mengsel omhoog beweegt. Deze meerdere lagen van kolkende lucht strekken en vouwen de brandstof en lucht samen, vergelijkbaar met het kneden van deeg, wat ervoor zorgt dat ze grondig worden vermengd voordat ze het einde van de nozzle bereiken. De onderzoekers ontdekten dat hoewel twaalf gaten een lichte verbetering boden ten opzichte van acht, de extra complexiteit en de moeilijkheid van de productie de minieme winst in prestaties niet waard waren. Ze kozen voor een dubbellaags ontwerp met acht gaten als de meest efficiënte balans.

Vervolgens keken de onderzoekers naar de grootte van die gaten. In hun initiële ontwerp waren alle luchtgaten even groot, maar ze merkten op dat de luchtdruk binnen de nozzle niet uniform was. De lucht die door de onderste gaten naar binnen kwam, ondervond meer weerstand en bewoog met minder kracht dan de lucht die via de bovenste gaten binnenkwam. Om dit op te lossen, probeerden ze een "gegradeerd" ontwerp waarbij de gaten aan de onderkant groter werden gemaakt en de gaten aan de bovenkant kleiner. Deze eenvoudige verandering herverdeelde de impuls van de lucht. Door de onderste gaten groter te maken, werd er meer lucht met meer kracht doorheen geduwd, wat de draaiende vortex aan de onderkant, waar de brandstof voor het eerst binnenkomt, versterkte. Deze sterkere draaiing trok de brandstof effectiever in de lucht, waardoor zakken met onverbrande brandstof die in de uniforme ontwerpen nabij de bodem bleven hangen, werden geëlimineerd. De simulaties toonden aan dat deze gegradeerde aanpak de mengkwaliteit aanzienlijk verbeterde en de uniformiteit van het mengsel tot bijna perfecte niveaus bracht.

Het team testte vervolgens of deze geoptimaliseerde nozzle verschillende hoeveelheden waterstof kon verwerken. Ze simuleerden condities waarbij de brandstof puur aardgas was, een mengsel met 60% waterstof, en zelfs pure waterstof. De resultaten toonden aan dat het nieuwe ontwerp uitzonderlijk goed werkte voor mengsels met tot 60% waterstof. In deze scenario's bleef de menging uniform en stabiel. Echter, wanneer ze het waterstofgehalte naar 100% duwden, begon het systeem moeite te krijgen. Pure waterstof vereist een veel hogere doorstroomsnelheid om dezelfde hoeveelheid energie te leveren, wat betekent dat de brandstof de nozzle met een veel hogere snelheid naar buiten spuit. Deze snelle brandstofjet werd te krachtig en boorde zich recht door de luchtstromen heen in plaats van erdoor te worden opgevangen en rondgedraaid. Het delicate vortex-systeem dat het mengsel bij elkaar hield, stortte in en de mengkwaliteit daalde. Deze bevinding suggereert dat hoewel de nozzle zeer effectief is voor de overgangsperiode van het toevoegen van waterstof aan gas, het mogelijk verdere aanpassingen nodig heeft om pure waterstof te kunnen verwerken.

Ten slotte realiseerden de onderzoekers zich dat de nozzle niet zo lang hoefde te zijn als ze oorspronkelijk in hun modellen hadden gebouwd. De simulaties toonden aan dat de menging zeer snel plaatsvond; tegen de tijd dat de gassen 60 millimeter omhoog reisden in de nozzle, waren ze al voor 97% gemengd. De resterende 40 millimeter lengte voegde zeer weinig toe aan de uiteindelijke kwaliteit van het mengsel. Dit inzicht betekent dat ingenieurs een veel kortere, compactere nozzle kunnen bouwen die ruimte bespaart en de productiekosten verlaagt zonder in te boeten op prestaties. De studie concludeert dat door zorgvuldig het aantal en de grootte van de luchtgaten te arrangeren, het mogelijk is om een nozzle te maken die waterstof en aardgas efficiënt en veilig mengt, wat een praktische stap vormt naar schonere energie voor gasturbines.