Experimentelle Untersuchung der Selbstzündung wasserstoffreicher Brennstoffe unter Reheat-Bedingungen

Abstract

In modernen Verbrennungstechnologien ist zunehmend das Verständnis spontaner Zündprozesse bedeutend, insbesondere in Verbindung mit den heute vermehrt eingesetzten wasserstoff(H2)-reichen Brennstoffen. So kommen in stationären Gasturbinen aktuell vorwiegend mager-vormischende Verbrenunnungssysteme zum Einsatz, um die niedrigen gesetzlichen Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Zündet während des Vormischprozesses von Luft und Brennstoff das entstehende reaktive Gemisch spontan, kann dies bis zur Zerstörung der Brennkammer führen. Denn durch die Zündung kann sich eine stabile Verbrennung in der Vormischzone etablieren, die nicht für solch hohe thermische Belastung ausgelegt ist. In der Vormischzone einer sogenannten Reheat-Brennkammer, die in Alstoms GT24 und GT26 Gasturbinenfamilie eingesetzt wird, liegen spezielle Bedingungen vor. Hier wird der Brennstoff in heißes Abgas, anstatt in Luft, mit Temperaturen von mehr als 1000 K eingemischt. Dies führt insbesondere mit wasserstoffreichen Brennstoffen zu einem unterschiedlichen Selbstzündverhalten verglichen mit konventionellen Gasturbinen-Brennkammern, wo deutlich niedrigere Lufttemperaturen in der Vormischzone vorliegen.

Vor diesen Hintergründen zielt die vorliegende Arbeit darauf ab, das Selbstzündverhalten wasserstoffreicher Brennstoffe während des Vormischprozesses bei Reheat-relevanten Bedingungen zu untersuchen. Dies bezieht auch die auf eine Selbstzündung folgende Flammenausbreitung mit ein, die zu einer stabilen Flamme in der Vormischzone führt. Die Versuche wurden in einer generischen, optisch zugänglichen Reheat-Brennkammer durchgeführt, welche in einem Hochdruckbrennkammer-Prüfstand installiert war. So ließen sich technisch relevante Drücke in turbulenter Umgebung realisieren. Es wurden Oxidatortemperaturen zwischen T = 1143 und 1203 K bei Drücken von p = 5, 10 und 15 bar, Strömungsgeschwindigkeiten von u = 200 und 300 m/s und Oxidatorzusammensetzungen entsprechend solchen in einer Reheat-Brennkammer untersucht. In den durch die Mischstrecke strömenden Oxidator wurden unterschiedliche Wasserstoff/Stickstoff- und Wasserstoff/Erdgas/Stickstoff-Gemische quer zur Hauptstömungsrichtung als "Jet-in-Crossflow" zugegeben. Während eines Selbstzündversuches wurden die Mischstrecken-Parameter konstant gehalten und der Wasserstoffgehalt im Brennstoff schrittweise in Richtung eines Sollwertes erhöht, bis sich eine durch Selbstzündung induzierte Flamme in der Mischstrecke stabilisierte. Durch häufiges Wiederholen dieses Vorgangs bei unterschiedlichen Oxidatortemperaturen und Drücken ließ sich der Wasserstoffgehalt bei flammeninduzierender Selbstzündung in Abhängigkeit dieser Parameter ermitteln. Diese Abhängigkeiten stellen die sogenannten Stabilisierungsgrenzen dar. Zudem wurden die Zündereignisse mittels Hochgeschwindigkeits-Messtechnik detektiert, wobei standardmäßig das Lumineszenssignal bei einer Rate von bis zu 30 kHz aufgezeichnet wurde. In einigen Fällen wurden simultane Schattenaufnahmen durchgeführt. Zusätzlich zu den experimentellen Untersuchungen wurden homogen-kinetische Berechnungen bei entsprechenden Randbedingungen in Relation zu den experimentellen Ergebnissen gesetzt.

Die Ergebnisse belegen bei allen Drücken eine hohe Temperaturabhängigkeit der Stabilisierungsgrenzen, die bei u = 300 m/s ausgeprägter ist als bei u = 200 m/s. Bei der höheren Geschwindigkeit (u = 300 m/s) und dem höchsten untersuchten Druck (p = 15 bar) konnten unterhalb von rund T = 1173 K die angestrebten H_2-Soll-Konzentrationen (52 bzw. 64 vol.%) ohne Flammenstabilisierung erreicht werden. Für geringere Drücke als 15 bar reduzierte sich der H_2-Anteil bei Flammenstabilisierung, oder er blieb in etwa konstant. Auch dieses Verhalten hing von der Geschwindigkeit in der Mischstrecke ab. Kleine Anteile an Erdgas erhöhten den möglichen Gehalt an H_2 bei vergleichbaren Randbedingungen signifikant, um bis zu rund 35 vol.%. Die beobachteten Verhaltensweisen lassen sich zum Teil anhand der chemischen Kinetik des Wasserstoffsystems erklären, welche neben der hohen Temperatursensitivität unter bestimmten Bedingungen eine komplexe Druckabhängigkeit aufweist.

Bezüglich des detaillierten Ablaufs eines Zündprozesses zeigten die Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen, dass ein Selbstzündereignis zunächst in Form eines Zündkerns auftrat. Einige dieser Zündkerne wurden stromab getragen und resultierten nicht in einer stabilen Flamme. Andere, die näher an der Brennstoffzufuhr entstanden, wanderten stromauf und stabilisierten vermutlich in der Nachlaufzone des Brennstoffstrahls. Aufgrund von Beobachtungen des Prozesses von Zündkernentstehung bis hin zu einer stabilen Flamme wurde eine Hypothese über die Flammenausbreitung entwickelt und diskutiert. Gemäß dieser Hypothese beeinflusst ein Zündkern während seiner Entstehung und seines Anwachsens die Bedingungen in der Mischstrecke zugunsten der Entstehung weiterer Zündkerne und der Flammenstabilisierung.

In modern combustion technologies, understanding of spontaneous ignition processes becomes more important, particularly with hydrogen(H_2)-rich fuels, which are nowadays used more frequently. Currently, stationary gas turbines mainly apply lean premixing combustion systems to meet the stringent low emission targets. In this context, spontaneous ignition of the reactive mixture resulting from mixing of air and fuel can lead to the destruction of the combustion chamber, since the mixing zone is not designed to resist high thermal loads of a stabilized flame. In a so-called Reheat-combustor applied in Alstom's GT24 and GT26 gas turbine family, particular conditions are present in the mixing zone: The fuel is injected into hot exhaust gas of temperatures higher than 1000 K instead of air. This leads to different autoignition characteristics, especially with high hydrogen fuels, compared to conventional gas turbines, which exhibit significantly lower air temperatures in the mixing zone.

Against this background, the present work aims at investigating the autoignition behaviour of H_2-rich fuels during the mixing process at Reheat-relevant operating conditions. This also includes the flame propagation process following an ignition event. The experiments were performed in a generic, optically accessible Reheat combustor, which was installed in a high-pressure test rig. Thus, technically relevant pressure levels under turbulent conditions could be realized. The conditions in the mixing section of the combustion chamber comprised oxidizer temperatures between T = 1143 to 1203 K, pressures of p = 5, 10 and 15 bar, flow velocities of u = 200 and 300 m/s and oxidizer compositions corresponding to that of a Reheat combustor. Different hydrogen/nitrogen- and hydrogen/natural gas/nitrogen-jets were used as fuels by injecting them into the oxidizer crossflow in the mixing section. During an autoignition experiment, the parameters in the mixing section were kept constant. Meanwhile, the hydrogen level in the fuel was stepwise increased towards a set point value, until an autoignition induced flame stabilized in the mixing section. By repeating this procedure at different temperatures and pressures, the hydrogen content at autoignition inducing a stable flame in the mixing section could be determined in dependence on these parameters. These correlations represent the so-called stabilization limits. In addition, the ignition events were detected by highspeed cameras, which captured the luminosity signal at a rate of up to 30 kHz. In some experiments, additional simultaneous shadowgraphy measurements were carried out. In complement to the experimental investigations, chemical-kinetic calculations of homogeneous systems were related to the experimental results.

The experimental results reveal a high temperature dependence of the stabilization limits for all investigated pressures, which is more pronounced for velocities of u = 300 m/s than 200 m/s. At the higher velocity (u = 300 m/s) and the highest investigated pressure (p = 15 bar), the hydrogen set point concentrations (52 or 64 vol.%, respectively) could be reached without flame stabilization for temperatures below approximately T = 1173 K. For lower pressures than 15 bar, the H_2-content inducing a stable flame was slightly lower or about the same. This behaviour also depended on the oxidizer velocity. Small amounts of natural gas increased the H_2-concentration without flame stabilization up to 35 vol.%. The observed behaviour can partially be related to the chemical kinetics of the hydrogen system, which, besides high temperature sensitivity, also exhibits a complex pressure dependence under certain boundary conditions. The significant influence of the crossflow velocity may also indicate an influence of turbulence.

Regarding the details of an ignition process, the highspeed images showed that ignition events initiated as separated kernels. Several kernels were carried downstream by the flow and did not initiate a stable flame. Others, which emerged closer to the fuel injector, propagated upstream and stabilized, probably in the wake of the fuel injector. From observations of ignition kernel initiation and development until flame stabilization, a hypothesis regarding the flame stabilization process was postulated and discussed. The hypothesis states that ignition kernel initiation and development influences the conditions in the mixing section in favor of initiation of further ignition kernels and flame stabilization.