Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Fundamentals of Pressurized Oxy-fuel Combustion for Natural Gas Semi-Closed Combined Cycles

Alternativ tittel: Grunnlag for trykksett oksy-brensel-forbrenning for naturgassfyrte delvis lukka kombinerte syklusar

Tildelt: kr 9,1 mill.

Klimaendringar må dempast og ein må halde fast ved ambisiøse mål for å minke CO2 utslepp. Det gjer at ein fange og lagre karbon (CCS). Fleire teknologiar er utvikla for å fange CO2 frå forbrenning. Oksy-forbrenning er ein metode basert på å brenne brensel med oksygen i staden for luft. Avgassen får ein høg CO2 konsentrasjon, og det gjer at fangsten krev mindre energi. Oksy-brensel gassturbinar er ikkje førebels ikkje kommersielt tilgjengelege. Teknologien er framleis ny og kostnader for utvikling høge. Prosjektet vil bidra til betre forståing og evne til å rekne på fysisk-kjemiske fenomen ved høgtrykks oksy-brensel forbrenning. Det må til for å få pålitande reiskapar for å utvikle og ta i bruk slike forbrenningssystem. Eit særleg kjenneteikn for gassturbinar er at forbrenninga er ved høgt trykk. OXYFUN kombinerer høgtrykks-forbrenningsanlegget (HIPROX - ECCSEL) og særskilt tilpassa laser-teknikkar. Det gjev eit eineståande verkty for a gjere målingar inne i flammene. Detaljerte målingar inne i slike flammer har mangla. Difor har ein heller ikkje kunne testa modellar for oksy-forbrenning generelt og særskilt ved høge trykk. OXYFUN har engasjert ein postdoktor og ein Phd-student til desse områda. I den eksperimentelle delen har ein samarbeidd med CORIA-Normandie Université I Frankrike. Dei har tilpassa og utvikla vidare ein ny målemetode. Ho er basert på såkalla Raman-spektroskopi og er spesielt tilpassa gassar med høg temperatur og mykje CO2. Målsettinga er å meistre teknikken og lage ein database. Slike data kan nyttast til å teste modellar for numerisk fluidmekanikk (kalla CFD). Eit forbrenningskammer er utforma og framstilt for høgtrykks-riggen HIPROX. Det har vindauge som skal tole ein intens laserstråle. Postdoktoren er tilsett for denne delen av prosjektet. Han har hatt opphald ved prosjekt-partnaren CORIA ved Normandie Université (France) gjennom det meste av året 2021. Der har han fått opplæring og øving i teknikken. Måleteknikken som er utvikla har vist seg å kunne måle temperatur og stoff-konsentrasjon ved hjelp av Raman-signalet frå CO2 alle stadar i flamma med eit enkelt laser-skot. Det vil seie at han kan løyse opp og sjå turbulente rørsler i svært små kvervlar. Laseren og det optiske oppsettet kring HIPROX under trykk er også ein tilpassa teknikk. Dei første testane vart ikkje utførte fordi spesialtilpassa Pockels-celler vart forseinka. Desse elektro-optiske cellene er ein av dei viktige delane av det optiske oppsettet. Dei må til for å gje vellukka resultat frå målingane. Det samla laser-Raman-oppsettet er utvikla og klargjort for bruk. Ein Phd-student på numerisk simulering har fullført arbeidet sitt. Ho har levert avhandlinga for vurdering og disputas er planlagt i mars 2023. Ho har gjort modell-utvikling og utført simuleringar med dataprogrammet OpenFoam. Vidare har ho studert ulike tilnærmingar for å rekne på reaksjonar i små turbulens-kvervlar med forbrenning.. Resultat er presenter ved møte og konferansar i 2018-2019. Kandidaten gjesta Cambridge University i 6 månader i 2019 med finansiering frå CLIMIT Personal Grant. Der utførte ho simuleringar med modellen EDC og deltok i eit samarbeid der ulike modellar vart samanlikna med måledata for eit tilfelle med rik forbrenning. Resultata vart presenterte ved det internasjonale forbrenningssymposiet i 2020, og deretter i tidsskriftet «Proceedings of the Combustion Institute». Seinare har ho arbeidd med ein ny modell for turbulent forbrenning. Dette er publisert i Combustion Theory and Modelling. Vidare arbeid er også sendt inn for vurdering og publisering i eit vitskapleg tidsskrift. Samanlikna med tidlegare modellar ga den nye modellen betre resultat for temperatur og kjemiske stoff inne i den undersøkte turbulent flamma. I mangel på eksperiment-data for oksy-forbrenning har ho testa modellen for turbulente forblanda flammer. I ei eiga studie, som del av avhandlinga, har ho overført modellen til bruk for oksy-forbrenning. Ei mindre studie der prinsippa for halv-lukka oksy-brensel kraftsyklusar er overførte til hydrogenfyrte gassturbinar er presentert i tidsskriftet "Energy". Det er vist at når ideen om å resirkulere eksosgass vert nytta på ein gassturbin, treng ein ikkje utvikle avansert og dyr brennarteknologi for å bruke rein hydrogen som drivstoff. Dette gjer ettermontering mogeleg. Grunnlaget for denne ideen er såleis funnen gyldig. Han kan gå til vidare utvikling og konseptutprøving. Prosjektet er påverka av korona-pandemien. Tilsetting av postdoktoren vart forseinka. Det var restriksjonar og forseinkingar under gjesteopphaldet i Frankrike. Phd-studenten hadde ikkje godt nok nettverk på heimekontoret under nedstenginga. Viktig spesiallaga utstyr for eksperimenta vart forseinka.

Being a Researcher project, OXYFUN has improved the competence of the combustion group at SINTEF and NTNU, in the fields of advanced measurement methods in high temperature turbulent reacting flows and the modelling of these flames. For the 3 academic candidates who will enter their professional careers, they have been faced with state-of-the-art research problems and methods, and an understanding of CO2 capture from power generation. Through the publications produced by the project, an increased attention has been drawn to the community on the oxy-fuel CO2 capture for gas turbine power generation as a CCS technology. In total, there has been active collaboration with visiting stays in 3 international research groups: (CORIA-Université (FR), Loeben (AT), and Cambridge University (UK). These collaborations will be pursued and will potentially lead to new reseacrh projects (one already been applied for as a KSP in Norway in 2022).

The project aims at advancing the fundamental knowledge required to design and operate high-pressure oxy-fuel combustion. Semi-closed oxy-fuel gas turbine cycles is a promising technology for natural-gas fired power production with carbon capture. Combustion in a O2/CO2 oxidizer mixture has shown properties very different from those of air combustion, and pressurized combustion in a gas turbine differs from coal combustion at atmospheric pressure in a boiler. An experimental study on flame configurations relevant for practical gas-turbine applications will be conducted. Advanced non-intrusive laser based methods like Particle Image Velocimetry, Laser Induced Fluorescence, or Laser Raman Spectroscopy will provide fine temporal and spatial resolutions of motion and composition of the pressurized flame, giving data sets of high quality and originality. Different stability modes and influence of combustion as a function of burner oxidizer O2/CO2 concentration ratio will be studied. In the computational part, the effects of turbulence on the chemistry will be investigated. With the strong variations in motions and time scales, chemical reactions will proceed substantially different from those of laminar flames and simple reactors. The default turbulent combustion model for industrial CFD is the Eddy-Dissipation Concept (EDC) developed by B.F. Magnussen and co-workers at NTNU and SINTEF. Some studies in literature indicate that effects of the longer chemical time scales in CO2/O2 combustion compared to air combustion calls for further development of the model, and this will be investigated and dealt with. Furthermore, the EDC will be further developed for use with Large-Eddy simulations (LES). Both activities will be performed in parallel and interactions between these will be privileged by amongst other, carefully define the boundary and inlet conditions and thus provide proper validation of simulations in gas turbine relevant conditions.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering