Design and implementation of a test bench for ammonia combustion
Creators: name: Bugada, Matteo
Publisher: name: Scuola Universitaria della Svizzera Italiana (SUPSI)
Year: 2024
Subjects: ammonia
combustion
porous media
energy souce
carbon-free energy

description: Questa tesi si concentra sullo sviluppo di un banco di prova per la caratterizzazione dei mezzi porosi durante la combustione dell'ammoniaca, una promettente fonte di energia priva di carbonio. La combustione di ammoniaca offre i vantaggi di zero emissioni di carbonio e di una linea di produzione consolidata. La combustione presenta due sfide fondamentali: la creazione di ossidi di azoto nocivi e la bassa velocità di combustione. Durante le prime fasi viene esplorato come la combustione possa essere migliorata attraverso diversi metodi come la combustione catalitica, la combustione assistita da plasma e l'utilizzo di mezzi porosi, con particolare attenzione a questi ultimi. Per risolvere il problema della bassa velocità di combustione è stata utilizzata una miscela di ammoniaca e idrogeno per ottenere una condizione stabile e ottimizzare la caratterizzazione dei mezzi porosi. Una parte importante di questo lavoro è la valutazione del rischio e l'utilizzo dello standard SUVA per identificare i rischi critici, come la combustione incontrollata, l'esposizione all'ammoniaca e lo sversamento nell'ambiente. Per mitigare tutti questi rischi sono stati implementati due principali sistemi di sicurezza per ridurre la possibilità di incidenti. Questi sistemi comprendono un meccanismo di estinzione degli incendi e un sistema di inondazione di azoto per spegnere la combustione in caso di necessità. Inoltre, nel sistema di ventilazione è stato incorporato un filtro a carbone per neutralizzare l'ammoniaca incombusta e prevenire l'inquinamento dell'ambiente. Il banco di prova è progettato in modo modulare. Consente configurazioni flessibili e una facile integrazione di moduli aggiuntivi. Per garantire la corretta caratterizzazione del mezzo poroso, verranno monitorati alcuni parametri chiave: la temperatura, la composizione del gas, la massa bassa e il rapporto di equivalenza prima della combustione, la temperatura del mezzo poroso e la temperatura della combustione nel reattore e il gas di scarico, esso verrà analizzato utilizzando un analizzatore gascromatografico. Infine, viene descritta la fase successiva: L'ottimizzazione delle dimensioni del supporto poroso e del filtro e la finalizzazione del sito di installazione. Questa prova al banco fornirà una piattaforma per comprendere meglio la combustione dell'ammoniaca nei mezzi porosi. Sebbene nessuna singola soluzione possa mitigare completamente le emissioni di CO2, la continua innovazione offre una speranza per un futuro più luminoso. ____ This thesis focuses on the development of a testbench for the characterization of porous media during an ammonia combustion, a promising carbon-free energy source. Ammonia combustion offers the advantages of zero carbon emission and an established production line. The combustion presents two key challenges: the creation of harmful nitrogen oxides and a low burning speed. During the first phases it is explored how the combustion can be improved via different method like catalytic combustion, plasma assisted combustion and the utilization of porous media, with a particular focus on the latter. To address the low burning speed a mixture of ammonia and hydrogen was used to achieve stable condition and optimize the characterization of the porous media. An important part of this work is the risk assessment and the utilization of the SUVA standard to identify critical hazards such as: uncontrolled combustion, ammonia exposure and environmental spillage. To mitigate all of these risks two main security systems were implemented to mitigate the possibility of an accident. These systems include a fire-extinguishing mechanism and a nitrogen flood system to extinguish the combustion in times of need. Additionally a carbon filter was incorporated in the ventilation system to neutralize unburned ammonia and prevent the pollution of the environment. The test bench is design to be modular. Enabling flexible setups and easy integration of additional modules. To ensure the correct characterization of the porous media key parameters will be monitored: the temperature, gas composition, mass flow and equivalence ratio before the combustion, temperature of the porous media and the combustion in the reactor and the exhaust gas will be analyzed utilizing a gas chromatography analyzer. In the end the next step is described: The optimization of the porous media size and filter and finalization the installation site. This bench test will provide a platform to better comprehend the ammonia combustion in porous media. While no single solution can fully mitigate CO2 emission, the continuous innovation offers a hope for a brighter future.