Investigation of a prototype industrial gas turbine combustor using alternative gaseous fuels

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Jordens totala energiförbrukning stiger. Samtidigt förbrukas primärt fossila naturresurser som kan anses ändliga, så som olja, kol eller naturgas, för att tillgodose energibehovet. Även andra energikällor används, t.ex. kärnbränsle, vind och vatten. Denna avhandling fokuserar på energi som omvandlas vid förbränning av gas i gasturbiner. Eftersom naturgas är ett fossilt bränsle riktas forskning åt nyttjandet av alternativa gaser, vilket är tänkt minimera nettoproduktionen av koldioxid. Sådana alternativa gaser kan exempelvis vara förgasningsgas från kol där koldioxiden separerats innan förbränning eller biogas vars konsumtion och produktion av koldioxid tar ut vartannat. De mest grundläggande förutsättningarna för att sådana gaser ska kunna användas kommersiellt är att de ska kunna förbrännas kontrollerat, utan avbrott och utan att bidra till att farliga avgaser så som kväveoxider (NOX), kolmonoxid eller oförbrända kolväten kommer ut i naturen. För att nå kommersiell framgång fordras även att den för stunden ekonomiskt sett mest fördelaktiga gasen kan användas. För att kunna nyttja olika gaser fordras en bränsleflexibel brännare vars befintliga brännkammare kan anpassas eller enkelt bytas ut beroende bränslets egenskaper. Denna avhandling redogör för undersökningen av hur en prototyp av en nydesignad brännkammare kan hantera alternativa gaser. De gaser som undersökts är syntetiska gaser så som förgasningsgaser med högt vätgasinnehåll och metanbaserade gaser med lågt energiinnehåll, vilka imiterar biogas. De ekonomiska aspekterna ligger utanför avhandlingens omfattning. För att undersöka hur alternativa gaser beter sig vid förbränning undersöktes först deras flamhastighet i en simpel brännare av Bunsen typ. En sådan undersökning visar hur pass reaktiv en gas är, vilket kan användas till att förutse om en flamma vid förbränning av gasen kommer att stabiliseras i det tilltänkta förbränningsområdet eller om flamman riskerar att placera sig upp- eller nedströms. Att erhålla sådan information är av vikt eftersom felaktig placering av flamman kan leda till ostabil förbränning eller orsaka skador på brännkammaren. Därefter undersöktes själva brännaren vid både atmosfäriskt och högre tryck. Undersökningarna omfattade lokalisering av stabilitetsgränser, minimering av emissioner, visualisering av själva flamman och mätning av strömningsfält. Stabilitetsgränserna och emissionerna undersöktes genom tillförsel av olika mängder luft och bränsle i brännarens enskilda delar. Flammans positionering diagnosticerades med hjälp av laser som skapar ett fluorescerande ljus från molekyler som enbart fanns i flamman. För att mäta strömningsfältet tillsattes partiklar till förbränningsluften. Genom att använda laserljus och ett kamerasystem kunde sedan partiklarnas rörelse dokumenteras. De två laserteknikerna gav möjligheten att visualisera flammas placering och strömningsmönster. Ett ytterligare mål med de lasermätningar som genomfördes var att skapa mätresultat som kan nyttjas för validering av såkallade CFD-beräkningar, avancerade datorbaserade beräkningsmodeller för flöden.