Hydrogen-enriched combustion study at high turbulence and swirl levels inside a gas turbine combustor

Résumé

La combustion d’énergie fossile et ses ramifications environnementales résultant de sa combustion font que la migration vers de nouvelles ressources énergétiques devient inévitable. Les carburants à base d’hydrocarbures conventionnels mélangés à de l'hydrogène sont une solution prometteuse vers une transition énergique des unités de génération de puissance comme les turbines à gaz, car l’ajout d’hydrogène réduit les émissions carbonées. Cependant, l’ajout d’hydrogène apporte de nouvelles contraintes au niveau de la combustion, par sa vitesse de propagation plus rapide et sa grande plage d’inflammabilité. Ainsi l'interaction entre la richesse du mélange et l’écoulement structuré de la chambre de combustion nécessite une étude plus approfondie lorsque des niveaux de turbulence élevés sont présents afin de quantifier l’impact sur la flamme obtenue. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier numériquement l'effet de l'ajout d'hydrogène au méthane et de l'intensité de l’écoulement structuré de type swirl sur le processus de combustion dans des conditions approchant les turbines à gaz. Ainsi l’étude numérique propose d’évaluer la combustion enrichie en hydrogène d’un brûleur de laboratoire fonctionnant à un niveau de turbulence élevé (Rein = 36,000 et /SL up to 45) et ce, dans des conditions de mélange pauvre et stoechiométrique. Une large plage d’ajout d’hydrogène (jusqu'à 90%) est utilisée pour enrichir la combustion de mélange pauvre à base de méthane, et ce, pour différents niveaux d’intensité de swirl. L'étude montre la faisabilité d'utiliser des mélanges contenant jusqu’à 25% de H2 sans modifications majeures à la flamme obtenue. Il appert également possible d'utiliser jusqu'à 90% H2 en mélange pauvre et 60% de H2 pour un mélange stoechiométrique, avec toutefois une légère différence sur la flamme obtenue. Dans les conditions étudiées, l'ajout de H2 augmente la température de la zone de réaction, réduit la taille de la zone de recirculation interne qui est responsable de la stabilisation de la flamme. Ainsi dans la configuration initiale, l’ajout d’hydrogène en forte concentration entraîne des flammes plus longues, en raison de l'interaction entre la réactivité élevée de H2 et la turbulence. Toutefois en augmentant l’intensité du swirl, la surface de la flamme est réduite et augmente légèrement la taille de la zone de recirculation interne, ce qui entraîne des flammes plus courtes, en raison de l'intensité turbulente accrue. Par conséquent, il est suggéré d’augmenter l'intensité de l’écoulement structuré de type swirl lors de l'utilisation de carburant à forte teneur de H2. L’étude numérique a également permis d’illustrer l’importance des pertes par rayonnement, car il entraîne une réduction de la température de sortie d'au moins 100 K, ce qui se traduit par des émissions de NO réduites de moitié. Toutefois, les résultats démontrent un comportement non linéaire entre la concentration de H2 et la température de flamme et les NO obtenus. Ainsi jusqu’à une concentration modérée de H2 (50%) et un swirl intense, les NO augmentent légèrement, mais restent à des niveaux de l’ordre de quelques ppm à la sortie du brûleur. En contrepartie, de fortes concentrations de H2 entrainent de plus fortes augmentations de température et donc de NO lorsque l’intensité du swirl est intense. Dans l'ensemble, l’approche d’ajout d'hydrogène au méthane semble offrir une solution viable vers un carburant sans carbone.

Date	13 avr. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Patrice Seers (Directeur(-trice)), François Garnier (Codirecteur(-trice)) & Saïd Hany Moustapha (Codirecteur(-trice))