Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Distributed Hydrogen Injection and Combustion Technology for Next Generation Pre-Combustion CCS Schemes

Alternativ tittel: Distribuert Hydrogen Injeksjon og Forbrenning Teknologi for Neste Generasjons Pre-Combustion CCS

Tildelt: kr 10,0 mill.

Prosjektnummer:

280578

Søknadstype:

Prosjektperiode:

2018 - 2021

Samarbeidsland:

Sluttrapport for prosjektet DiHI-Tech. Målsetningen til DiHI-tech prosjektet er å utvikle en innovativ brennerdesign med ny innsprøytningsteknologi for gassturbiner. Denne skal være optimalisert for å oppnå miljøvennlig (lav NOx), energi- og kostnadseffektiv (ufortynnet brensel) forblandet forbrenning av hydrogen i nullutslipps-kraftprodukssjonssystemer. Denne innovative innsprøytningsteknologien er basert på ideen om å erstatte tradisjonelle dyser (små hull med millimeter størrelse) for punktvis brenselinjeksjon i gassturbiner med et helt nytt innsprøytningssystem som er basert på bruk av en tilpasset porøs metallstruktur (porer med mikrometer størrelse). Konseptet som foreslås, vil erstatte konvensjonelle innsprøytningsdyser for brensel og dermed unngå de konsentrerte punktkildene av svært reaktiv hydrogengass for heller å erstatte disse med en injeksjon som gir bedre romlig fordeling av brenselet. I tillegg til denne forbedringen, tidligere forskning gjennomført av SINTEF og DLR i FME BIGCCS har bevist at porøs stål representerer også en effektiv akustisk barriere mellom flamme og brenselsforsyningssystem og derfor skaper et forbrenningssystem som er mer robust i forhold til termo-akustiske ustabiliteter. Alt dette vil resultere i bedre global stabilitet for forbrenningsprosessen. Alle målsetningene er oppnådd som planlagt. 1) Hovedresultatet fra prosjektet er at det ble bevist, gjennom eksperimenter gjennomført på SINTEF Energis HIPROX forbrenningsrigg, at DiHI-Tech konseptet virker som forventet også ved høye trykk (1-10 atm) og temperatur for reagentene (573 K). Distribuert injeksjon av hydrogen gjennom porøs stål ble gjennomført i et brenner som ble bygget for en innfyrt effekt på 100 kW (max termisk belastning på HIPROX) og designet for å oppnå en stabil, forblandet hydrogen flamme og lav NOx utslipp. Dette er et viktig milepæl for en eventuell videre utvikling av konseptet på større skala og ved høyere TRL nivå. Direkte inklusjon av en gassturbin leverandør er sannsynlig i en eventuell neste fase. En draft paper er laget på basis av de siste eksperimentelle målingene (fra Januar 2021) og vil bli sendt til ASME TurboEXPO 2022 konferansen ila sommeren 2021. 2) Forskningen som er gjennomført ved NTNU, både på modellering og eksperimentell side, har oppnådd målsetningen å kartlegge fysiske lover for turbulent blanding av lette gasasformede stoffer (hydrogen og helium) som er injisert i en turbulent strømming fra en porøs overflate. Tre papers er allerede publisert i høy impact factor vitenskapelige tidsskrifter ("Fuel", "Experiments in Fluids" and "Journal of Fluid Mechanics") og en fjerde draft er ferdiggjort for innsending til Journal of Fluid Mechanics. 3) Arbeidet som er gjennomført ved SINTEF Industri har vært et viktig komplement for aktivitetene ved SINTEF Energi og NTNU. Karakterisering av hydrogenstrømningen gjennom det porøse stålet har bidratt til et optimalt design av eksperimentene ved punkt 1) og 2). En review paper om materialutfordringer knyttet til bruk av hydrogen i gassturbiner (både for kraftproduksjon og flytransport) er innsendt til referanse journalen "International Materials Reviews".

DIHI-Tech har bevist at konseptet for distribuert injeksjon av hydrogen gjennom porøs støl virker som forventet også ved tilstand (høye trykk og temperaturer) som karakteriserer brennkammeret til en gassturbin. Virkningen av prosjektets resultater innebærer at gassturbinbrennkammer som er bedre rustet til å handtere hydrogenrike drivstoff, og samtidig sikre stabil drift og lave utslipp, kan nå utvikles.

The increasing relevance of hydrogen-containing fuels in pre-combustion Carbon Capture and Storage (CCS) for power generation and in energy storage schemes means in practice that modern combustion systems must be able to use these new fuels efficiently while still complying with safety and emissions regulations. The DiHI-Tech project will develop an innovative gas turbine burner design and fuel injection technology that is optimized to enable environmental-friendly (low NOx), energy- and cost-efficient (diluent-free) premixed combustion of hydrogen-rich gaseous fuels. This innovative fuel injection technology is based on a spatially distributed injection system in which hydrogen enters the oxidant stream (typically air) through the surface of an aerodynamically-optimised porous structure. The proposed concept therefore replaces conventional fuel injection nozzles and eliminates the occurrence of concentrated point sources of the highly reactive hydrogen gas providing increased flame stability and reduced tendency to thermo-acoustic oscillations by the combustion system. This is a multi-disciplinary research project that builds upon promising preliminary results obtained within the framework of the (now ended) BIGCCS Research Centre and its main goal is to advance the proposed DiHI-Tech concept from the present Technical Readiness Level (TRL) 3 "Proof of Concept" to TRL 5 "Concept Validated in Relevant Environment". The successful achievement of this target will mature the technology and accelerate its industrial deployment that, in turn, will greatly reduce the economic and energetic cost of pre-combustion CCS schemes by eliminating the need for preparation (separation/pressurization) of large quantities of fuel diluents.

Budsjettformål:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering