This paper describes gas turbine combustion characteristics of synthetic natural gas which contains a small amount hydrogen content. By conducting ambient pressure high temperature combustion test at gas turbine relevant combustor geometry, the combustion characteristics such as combustion instability, NOx and CO emission, temperatures at turbine inlet, nozzle and dump plane, and flame structure from high speed OH chemiluminescence images were investigated when changing hydrogen content from zero to 5%. From the results, qualitative and quantitative relationships are derived between key aspects of combustion performance, notably NOx/CO emission and combustion instability. Natural gas containing hydrogen up to 5% does not show significant difference in view of all combustion characteristics except combustion instability. Only up to 1% hydrogen addition could not change the pressure fluctuation and phase gas between fluctuations of pressure and heat release. From the results, it can be concluded that synthetic national gas which contains 1% of hydrogen can be guaranteed for the stable and reliable operation of natural gas firing gas turbine.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제32권7호
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pp.1013-1018
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2008
For a sequential port fuel injection natural gas engine, its combustion and emission characteristics at low loads are crucial to meet light duty vehicle emission regulations. Fuel injection timing is an important parameter related to the mixture formation in the cylinder. Its effect on the combustion and emission characteristics of a natural gas engine were investigated at 0.2 MPa brake mean effective pressure (BMEP)/2000 rpm and 0.26 MPa BMEP/1500 rpm. The results show that early fuel injection timing is beneficial to the reduction of the coefficient of variation (COV) of indicated mean effective pressure (IMEP) under lean burn conditions and to extending the lean burn limits at the given loads. When relative air/fuel ratio is over 1.3, fuel injection timing has a relatively large effect on engine.out emissions. The levels of NOx emissions are more sensitive to the fuel injection timing at 0.26 MPa BMEP/1500 rpm. An early fuel injection timing under lean burn conditions can be used to control engine out NOx emissions.
A premixed combustion has many advantages including low NOx and CO emission, high thermal efficiency and a small volume of combustor. This study focused on combustion characteristics in a premixed combustion burner using the nickel based metal foam. The results show that the blue flame is found to be very stable at heating load 6,300-25,200 kcal/h by implementing the proper nickel based metal foam and baffle plate. The premixed flame mode is changed into green flame, red flame, blue flame and lift off flame with decreasing equivalence ratio. NOx emission was measured 80 ppm(0% oxygen base) from 0.710 to 0.810 of equivalence ratio and CO emission is 90 ppm(0% oxygen base) under the same equivalence ratio. It is also found that the stable blue flame region in flame stability curve becomes wider with increasing the heat load.
The NOx emission characteristics were studied in an oscillating combustion burner equipped with a specially designed proportioning valve. The effects of various parameters on the NOx emission which are important in oscillating combustion were investigated. Also, the effects of coincident application of flue gas recirculation(FGR) were evaluated. The results show that oscillating combustion is an efficient tool for reducing NOx in the burner. Up to 53% of NOx reduction could be acquired in low frequency and small duty ratio conditions. The coincident application of FGR further reduced the NOx emission up to 74%. Thus, this study assured that oscillating combustion technology with FGR could be a fascinating method for NOx reduction in industrial burners.
An experimental study was carried out to investigate the emission characteristics of LP gas burner for the Practical combustion conditions including fm voltage, inlet area, gas Pressure, emission resistance, duct length and height. The result shows that CO is almost remains constant for the emission fan voltage, but significantly increases with the reduction rate of air inlet, up to 3000ppm at 50% of reduction rate. Also, the variation of gas pressure has no effect to CO of gas boiler due to its governor which controls gas pressure secondly, but it gives an rapid increase of CO for the gas range. The emission resistance test shows that CO is suddenly increased with the reduction rate of emission duct above 70% and main burner is stopped at 90%. The reverse wind test shows that CO is suddenly increased with the air velocity above 7m/s and main burner is stopped at 9m/s. The more horizontal length of emission duct is long and the vertical height is low, CO is infinitesimally increased.
The influences of air staging on NOx emission and burnout of coal flames were investigated using 1MWth combustion test facility. The experiments showed that variation of overall excess air ratio led to a relatively higher NOx emission level for ${\lambda}=1.2.$ When air staging was applied to the combustion air, it was confirmed that a fuel rich primary combustion zone was established and unburned char was burened completely by mixing with the staged air supplied radially around the flame. The NOx emissions were redued by increasing the staged air flow rate, and staging air was suggested to be more than 40% of the total combustion air for the substantial NOx reduction.
The aim of this work is to investigate the spray and combustion characteristics of dimethyl-ether (DME) at various injection conditions. The spray characteristics such as spray tip penetration and spray cone angle were experimentally studied from the spray images which obtained from the spray visualization system. Combustion and emissions characteristics were numerically investigated by using KIVA-3V code coupled with Chemkin chemistry solver. From these results, it revealed that DME spray had a shorter spray tip penetration and wider spray cone angle than that of diesel spray due to the low density, low surface tension, and fast evaporation characteristics. At the constant heating value condition, DME fuel showed higher peak combustion pressure and earlier ignition timing, because of high cetane number and superior evaporation characteristics. In addition, the combustion of DME exhausted more $NO_x$ emission and lower HC emission due to the active combustion reaction in the combustion chamber. The result shows that DME had a little soot emission due to its molecular structure characteristics with no direct connection between carbons.
Hydrogen with high chemical reactivity and combustion efficiency, is expected to reduce greenhouse gas and CO emission. However, there is a problem of increase in NOx emission due to hydrogen combustion. MILD combustion technology has been proposed to resolve NOx emission. In this study, the characteristics of MILD combustion and NOx formation by flue gas recirculation (KV) in CH4-H2 mixture were analyzed and predicted using 0D premixed combustion model. The ignition delay time became shorter as the hydrogen co-firing rate increased, and longer as the recirculation rate increased. For NOx emission, EINO decreased as the KV increased, but EINO increased as the hydrogen co- firing rate increased. In particular, EINO was predicted to increase significiently above 80% hydrogen. Through the pathway analysis of NO formation, it was found that the influence of N2O intermediate route and NNH route was enhanced for hydrogen co-firing.
The effects of acoustic excitation with various frequencies for combustion air as well as fuel on the combustion emission and local NO concentration in diffusion flame were investigated experimentally. It was studied to investigate the effects of combination between four frequencies for the fuel and various frequencies for the combustion air. The better characteristic for NO emission was revealed by acoustic exciting with frequencies for the air and the fuel excited at 0Hz and 120Hz and the generation of CO was decreased at low frequency for fuel and the excited combustion air. The amount of combustion emission could be controlled by acoustic exciting of the combustion air. And when both fuel and air are excited by some frequencies, the diffusion flame was affected by frequency which excited fuel in the middle of the flame and by air-exciting frequency at both sides of the flame. The local NO in the flame was generated much less at the condition that fuel was excited by frequencies than the condition was not.
Oxy-fuel combustion has been gaining its significance as a means of migrating the green house effects. Some experimental measurements were conducted to investigate the characteristics of oxy-fuel combustion and to aid a fundamental design of a lab-scale oxy-fuel combustor with a coaxial burner. CO emission was measured along the combustor centerline while combustion of methane and oxygen diluted by CO2 took place. Substitution of CO2 with N2 indicates a possibility that some CO is formed by dissociation of CO2. Some parametric tests were also performed to see the mixing effects of reactant gases on CO emission by changing the gas injection velocity at the burner nozzles with various heat loads. The overall results indicate that CO emission was reduced when the reactants are injected at higher velocities of similar magnitude.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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