Experimental and numerical study of fundamental and applied ammonia combustion

21/04/2023

O amoníaco (NH3) é uma substância inorgânica considerada um promissor vetor energético, utilizável em diversos sistemas termoquímicos e cuja combustão não emite dióxido de carbono (CO2). O custo de produção é baixo e o transporte e armazenamento são seguros. Sintetizado a partir do hidrogénio (H2), o amoníaco pode ser reconvertido em H2, qualificando-o como um possível vetor de hidrogénio. O uso de NH3 na conversão para energia útil apresenta diversos obstáculos: baixa reatividade – traduzida em alta energia de ignição, reduzida gama de inflamabilidade e baixa velocidade de propagação de chama –, é moderadamente tóxico e corrosivo e emite grandes quantidades de óxidos de azoto (NOx) quando queimado. O conhecimento da cinética química da combustão do amoníaco é também limitado, dificultando o projeto e desenvolvimento de aplicações. A presente tese de doutoramento relata trabalhos numéricos e experimentais acerca da combustão do amoníaco, aprofundando o conhecimento de chamas laminares e turbulentas com vista à sua aplicação em turbinas a gás. O trabalho é dividido em quatro etapas: (1) estudos fundamentais de cinética química de misturas NH3/H2, (2) estudo numérico e experimental de chamas de pré-mistura laminares de amoníaco/metano, (3) estudo numérico concetual de sistemas de turbinas a gás com NH3, e (4) estudos experimentais de chamas turbulentas de NH3/H2, em queimador especialmente desenvolvido para os combustíveis estudados. Os resultados revelam, como principais conclusões, (a) discrepâncias entre mecanismos de cinética química e chamas laminares reais, com mecanismos recentes para a combustão do amoníaco descrevendo melhor o comportamento de chama; (b) melhoria significativa da inflamabilidade, estabilidade e velocidade de chama com adição de frações de metano e hidrogénio; (c) mitigação efetiva de NOx e produção de H2 em misturas ricas, e (d) previsões de operação ótima de baixas emissões e alta eficiência da combustão em queimadores com injeção de ar estagiada, como “rich-quench-lean”. Ammonia (NH3) is an inorganic substance being touted as a promising future energy carrier, to be potentially used in several thermochemical conversion systems resulting in zero carbon dioxide (CO2) emission. It is cost-effective to produce and safe to transport and store. Being efficiently synthesized from hydrogen (H2), ammonia can be reconverted to H2, qualifying as a possible hydrogen carrier. The conversion of NH3 into usable energy, however, face several challenges: low reactivity–translated into high ignition energy, narrow flammability limits and low flame speed–, mild toxicity and corrosiveness, and the emission of large amounts of nitrogen oxides (NOx) when burned. The knowledge on the kinetics of ammonia combustion is also still limited, making the design and development of applications more complex. The present Ph.D. thesis reports joint numerical and experimental works on the combustion of ammonia towards its application in gas turbines. The work is divided in four parts: (1) studies on the combustion fundamentals and chemical kinetics of NH3/H2 mixtures, (2) numerical and experimental studies of laminar premixed ammonia/methane flames, (3) numerical analysis of ammonia-fueled gas turbine conceptual designs, and (4) experimental studies of turbulent NH3/H2 flames in a burner specially developed for the fuels. Results reveal, as main conclusions, (a) discrepancies between kinetic mechanisms and real laminar flames, with recent and ammonia-focused mechanisms better describing the behavior of actual flames; (b) significative enhancement of flammability, stability and flame speed when mixing with fractions of methane and hydrogen; (c) effective NOx mitigation and H2 production when burning fuel-rich mixtures, and (d) predictions of optimal low-emissions and highly efficient operation in combustors staged air injection, such as in rich-quench-lean systems.

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  Rodolfo Cavaliere da Rocha

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Doutoramento em Engenharia Mecânica

mechanical-engineering - Engenharia Mecânica

Palavras-chave

• amoníaco
• hidrogénio
• combustão
• emissões
• cinética química
• ammonia
• hydrogen
• combustion
• experimental
• numerical

eng - Inglês

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