Yakıt olarak amonyak ve karışımlarını kullanan bir gaz türbini yanma odasının yanma ve emisyon özelliklerinin araştırılması
Research on combustion and emission characteristics of a gas turbine combustor using ammonia and its blendings as fuel
Yazar: OSMAN KÜMÜK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Küresel ısınma ile beraber enerji talebinin de artmasıyla enerji ve elektrik üretimi için yeni ve yenilenebilir yakıtlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun için kimyasal yapısında hidrojen barındıran amonyak, enerji taşıyıcısı olması ve karbon içermemesinden dolayı gaz türbini yakıtı olarak gelecekteki sürdürülebilir enerji sistemlerinde önemli bir yer sahibi olabilir. Hidrojenin aksine, amonyağın taşınması ve depolanması daha kolay olup, endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Amonyak temel bileşenlerine kısmen ayrıştırılarak uygun yanma özellikleri elde edilebilir. Amonyak yanması kimyasal yapısında azot barındırmasından dolayı önemli seviyelerde NOX ve N2O emisyonları oluşturmaktadır. Ancak, gaz türbini yanma işleminde sıcaklıktan kaynaklanan ısıl NOX emisyonlarının daha baskın olmasından dolayı geleneksel yakıtlara göre çok fazla değişmediği gösterilmiştir. Bu tez çalışmasında, yüksek girdaplı amonyak yakıtlı bir gaz türbininin akış alanı ve alev özelliklerinde giriş geometrisi ve yanma parametrelerinin yanma performansı ve emisyon üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Deneysel doğrulama ile birlikte Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) çözümlemeleriyle gaz türbini yakıtları olarak saf amonyak ve amonyak karışımlı farklı yakıt bileşimleri çalışılmıştır. Araştırma sonuçlarına göre çalışılan yakıtlara amonyak ilaveleri ile maksimum sıcaklık seviyelerinde ortalama %4 civarında bir düşüş görülmüş, önemli miktarda değişim gözlenmemiştir. Bunun nedeni sağlanan toplam ısıl gücün değişmemesi olarak açıklanmaktadır. Ayrıca alev bölgesinde amonyak içeriğindeki N'den dolayı yükselme görülmesine rağmen yanma odası çıkışında bu değer 1/4 oranında bastırılmış olduğu görülmüştür. Kullanılan yakıtlara amonyak ilavesi ile alev yanma odasının duvarlarına daha fazla yayılmış ve teğetsel hızlar daha yüksek çıkmıştır. Böylece daha homojen bir yanma gerçekleşmiştir. Sonuç olarak amonyak yakıtının alternatif bir yakıt olarak yanma performansını düşürmeden gaz türbinlerinde yardımcı yakıt olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. NOX emisyon seviyeleri önünde bir sorun olarak görülse de ikincil ve seyreltme bölgesi etkileri nedeniyle yanma odası çıkışında, performansa oranla büyük bir NOX emisyonu artışı olmadığı tespit edilmiştir.

Abstract:
With the increasing global warming and the growing energy demand, there is a need for new and renewable fuels for energy and electricity production. A substance that contains hydrogen in its chemical structure, such as ammonia, can play a significant role in future sustainable energy systems as a gas turbine fuel due to its energy-carrying capacity and lack of carbon content. Unlike hydrogen, the transportation and storage of ammonia are easier and it is widely used in the industry. Ammonia can be partially decomposed into its basic components to obtain suitable combustion properties. The combustion of ammonia, however, generates significant levels of NOX and N2O emissions due to its chemical structure containing nitrogen. Nevertheless, it has been shown that the thermal NOX emissions, originating from temperature, are more dominant in the gas turbine combustion process, resulting in emissions not significantly different from conventional fuels. In this thesis, the effects of inlet geometry and combustion parameters on the combustion performance and emissions in a high-swirl ammonia-fueled gas turbine were investigated. Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses of pure ammonia and ammonia-blended fuel compositions were conducted alongside experimental validation. According to the research results, the addition of ammonia to the studied fuels led to an approximately 4% decrease in the maximum temperature levels, with no significant changes observed in the total thermal power provided. Moreover, while an increase in N content in the flame region was observed due to ammonia additions, it was found to be suppressed by a factor of 1/4 at the exit of the combustion chamber. The addition of ammonia to the fuels resulted in a more extensive spread along the combustion chamber walls and higher tangential velocities in the flame region, thereby achieving a more homogeneous combustion. As a result, it was concluded that ammonia fuel can be used as an auxiliary fuel in gas turbines without compromising combustion performance. Although NOX emission levels may be a concern, it was determined that there is no significant increase in NOX emissions at the exit of the combustion chamber, relative to performance, due to the effects of the secondary and dilution zones.