Haalbaarheid dynamisch verbrandingsmodel voor waterstof

Inleiding

Waterstof wordt alom gezien als één van de belangrijkste instrumenten voor een duurzame samenleving. Daartoe zijn onder andere geschikte (industriële) brandersystemen nodig. De nadruk ligt op zowel het efficiënt en betrouwbaar stoken van waterstof als het beperken van schadelijke emissies. Stoken van waterstof zonder innovatieve tegenmaatregelen zal tot hoge emissies leiden.

Vlamloze Thermische Oxidatie

Vlamloze thermische oxidatie (MILD-combustion genoemd) wordt als relevante techniek gezien als het doel is ultra-lage NOx-verbranding van hoogcalorische brandstoffen zoals waterstof te realiseren. Het is een methodiek waarbij brandstofgas, teruggevoerde rookgassen en zuurstof zo worden vermengd dat verbranding gelijkmatig en zonder sterke vlamvorming plaatsvindt, zodat emissiewaarden significant lager zijn bij gelijkblijvende efficiëntie. Vlamloze thermische oxidatie kan worden bereikt middels een hoge mate van rookgasrecirculatie en scheiding van lucht- en brandstofstromen.

Noodzaak van Modellering

Om wijdverbreide toepassing van MILD-combustion mogelijk te maken, is nauwkeurige modellering van de (chemische) reactiestructuren en hun invloed op de performance (gedrag, prestaties, emissies, enz.) nodig. Huidige industrieel toepasbare turbulente verbrandingsmodellen zijn ontwikkeld voor gasturbines. Zij houden geen rekening met bijvoorbeeld de grote differentiële diffusie van waterstof, wat veel lastiger te modelleren is dan de aanname van constante diffusie, die bij koolwaterstofverbranding (zoals aardgas) wel opgaat.

Beperkingen van Bestaande Modellen

Tevens zijn bestaande modellen gebaseerd op de aanname van een duidelijk gedefinieerd vlamfront, zijn ze niet geschikt voor het modelleren van het brandstofrijke deel van een vlam en is er geen mogelijkheid tot het modelleren van externe rookgasrecirculatie. Bij verbrandingsmodellen waar dit wel het geval is, is de benodigde rekenkracht zeer groot, zijn de modellen gevoelig voor gebruiker-instellingen en is er veel expertise nodig.

Doelstelling van het Project

Mateq Process wil de technische en economische haalbaarheid onderzoeken van een turbulent, getrapt verbrandingsmodel toegespitst op waterstof/aardgas-mengsels in sterk verdunde vlammen (MILD-combustion) aan de hand waarvan het (stromings)gedrag en de verbranding in industriële ketelbranders kan worden voorspeld.

Implementatie en Toepassing

Het model zal vervolgens worden geïmplementeerd in een programmeerbare code voor het simuleren van verbrandingsprocessen (zoals ANSYS Fluent, ConvergeCFD of OpenFOAM) waarmee het verbrandingsmodel breed inzetbaar zal worden voor gebruik in en analyse van turbulente, industriële waterstof/aardgasvlammen.

Inzicht en Analyse

Het project heeft als doelstelling inzicht te krijgen in de mogelijkheden, kenmerken, risico’s en implicaties van een programmeerbare (software) code die een dynamisch verbrandingsmodel voor waterstof/aardgas-mengsels in een industriële omgeving beschrijft en daarmee kan worden gebruikt als input voor simulaties met behulp van een numeriek (CFD) rekenmodel.

Toekomstige Perspectieven

Uiteindelijk perspectief is het beschikken over een programmeerbare code die turbulente, industriële waterstof/aardgas-vlammen gecombineerd met externe rookgasrecirculatie voor ultra-lage NOx-emissies kan analyseren, alsmede het (stromings)gedrag en de verbranding kan voorspellen. De code-ontwikkeling zal een turbulent verbrandingsmodel bevatten dat als input wordt gebruikt voor een numeriek (CFD) rekenmodel waarmee simulaties kunnen worden uitgevoerd, waardoor gedrag, prestaties en emissies van de brander - met inbegrip van de afwijkende eigenschappen van waterstof - worden voorspeld.

Uitdagingen en Risico's

Realisatie is echter niet eenvoudig, vooral omdat waterstof over zeer lastig te modelleren eigenschappen beschikt. Iets dergelijks is nog niet beschikbaar en realisatie is technisch uitdagend. Dit onder andere vanwege de benodigde specifieke kennis van zowel (softwarematige) modellering als combustion & heat transfer processen. Er zijn bovendien de nodige risico’s en onzekerheden te onderkennen waarvoor een oplossing moet worden gezocht en ontwikkeld.

Volgende Stappen

Daarom is het nodig om op basis van een uitgevoerde eerste oriëntatie het traject te vervolgen met een meer gestructureerd haalbaarheidsproject alvorens de daadwerkelijke ontwikkeling ter hand te nemen.