Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Simulation of Microturbine Combustion Chamber Performance with Syngas: Analysis of Compositions Derived from Coal and Biomass

Document Type : Original Article

Authors
Aref Sohrabi
seyyed mehdi mirsajedi
Faculty of New Technologies and Aerospace Engineering, Shahid Beheshti University
10.22034/jfnc.2025.500958.1422
Abstract
In this study, the performance of an annular combustion chamber of a microturbine was simulated using syngas derived from coal and biomass. The primary objective is to investigate the combustion chamber’s performance and pollutant emissions under premixed combustion conditions. The simulations are conducted using a partially premixed combustion model and the k-epsilon Realizable turbulence model. The partially premixed combustion model, by integrating the advantages of both premixed and non-premixed combustion, enabled an accurate analysis of the combustion process and provided precise predictions of complex turbulent flow behaviors and chemical reactions. The fuel and air were assumed to be premixed, which improved temperature uniformity and contributed to a reduction in NOx emissions when using syngas. An analysis of the OH mass fraction revealed that coal-derived syngas, due to its high hydrogen content and faster combustion rate, produces the shortest flame. The NOx and CO emissions for this fuel were 3.23 ppm and 227.3 ppm, respectively. On the other hand, biomass-derived syngas generates a temperature field similar to that of pure methane combustion due to its methane content. However, the high concentrations of methane and carbon monoxide resulted in a significant CO emission of 2914 ppm. This fuel also exhibited the highest NOx emission, reaching 29.9 ppm. The findings indicate that utilizing coal-derived syngas in premixed combustion conditions reduces NOx emissions and thermal hotspots.
 
.
Keywords
Numerical simulation
annular combustion chamber
microturbine
syngas
NOx emissions

Subjects

محفظه احتراق یکی از اجزای کلیدی در طراحی و عملکرد میکروتوربین‌ها محسوب‌می‌شود که نقش اساسی در تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی حرارتی و در نهایت انرژی مکانیکی دارد. با توجه به چالش‌های مرتبط با کاهش منابع سوخت‌های فسیلی و نگرانی‌های زیست‌محیطی ناشی از انتشار گازهای گلخانه‌ای، استفاده از منابع سوخت جایگزین به‌ویژه گاز سنتز به‌عنوان یک راهکار پایدار مورد توجه قرار گرفته است. گاز سنتز، که از فرایند گازسازی زغال‌سنگ، زیست‌توده و سایر مواد حاوی کربن تولید می‌شود، به‌دلیل ترکیب‌پذیری مناسب، محتوای انرژی بالا، گزینه‌ای جذاب برای استفاده در سیستم‌های احتراقی پیشرفته به‌شمار می‌رود. با این حال، رفتار احتراقی گاز سنتز حاصل از این ترکیبات، به‌دلیل تنوع در ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی آن، نیازمند بررسی‌های دقیق و مدل‌سازی پیشرفته است. استفاده از گاز سنتز در میکروتوربین‌ها امکان توسعه سیستم‌های ترکیبی تولید انرژی را نیز فراهم می‌آورد. به‌طور خاص، این فناوری می‌تواند در سیستم‌های تولید همزمان برق و حرارت به کار گرفته شود که به افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی منجر می‌شود. از سوی دیگر، توانایی میکروتوربین‌ها در کار با سوخت‌های متنوع، آن‌ها را به گزینه‌ای مناسب برای مناطق دورافتاده یا مناطقی که دسترسی به منابع سوخت متداول محدود است، تبدیل می‌کند [1].

محمد علی و همکاران با استفاده از شبیه‌سازی سه‌بعدی و سینتیک شیمیایی، مشخصه‌های احتراق موتور دوگانه‌سوز گاز سنتز-دیزل را تحت شرایط مخلوط سوخت-هوای بسیار رقیق بررسی کردند. در این پژوهش، گاز سنتز به‌عنوان سوخت اصلی و با منبعی از زغال‌سنگ مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که محتوای هیدروژن در گاز سنتز تأثیر قابل توجهی بر فرایند احتراق دارد، به‌طوری که غلظت‌های بالاتر هیدروژن باعث بهبود احتراق در نزدیکی TDC و کاهش اتلاف زمانی و انتشار گازهای نسوخته شدند[2]. فانتوزی و همکاران با استفاده از شبیه‌سازی، عملکرد محفظه احتراق میکروتوربین را با گاز سنتز زیست‌توده بررسی کردند. نتایج نشان داد که این سوخت منجر به کاهش نقاط داغ و پایداری بهتر شعله نزدیک به انژکتور می‌شود. همچنین، تحلیل‌ها نشان داد که احتراق این گاز سنتز باعث تولید NOx به میزان  ppm45 می‌شود [3, 4]. لارانچی و همکاران با استفاده از شبیه‌سازی CFD، عملکرد محفظه احتراق میکروتوربین را با سوخت گاز سنتز زیست‌توده بررسی کردند. طراحی اصلاح‌شده محفظه برای گاز سنتز باعث بهبود اکسیداسیون CO و کاهش دمای گازهای خروجی شد [5]. پالانیسامی و همکاران به بررسی مشخصه‌های احتراق بیودیزل مشتق‌شده از روغن پخت‌وپز ضایعاتی، که عمدتاً از روغن نخل به‌دست آمده است، در یک میکروتوربین 30 کیلوواتی پرداختند. این پژوهش نشان داد که استفاده از بیودیزل منجر به بهبود پایداری احتراق و کاهش آلایندگی‌ها می‌شود [6]. بزویار و دارابخانی یک محفظه احتراق میکروتوربین 12 کیلوواتی طراحی و توسعه دادند که قادر به کار با طیف وسیعی از سوخت‌های زیستی بود. کار آن‌ها به چالش‌هایی مانند عملکرد احتراق، پایداری و آلایندگی‌ها در هنگام استفاده از سوخت‌های زیستی با کیفیت پایین پرداخته‌است. طراحی اصلاح‌شده باعث بهبود پایداری شعله، کاهش نقاط داغ در محفظه و کاهش آلایندگی‌ها شد [7]. سلجاک و همکاران چالش‌ها و راه‌حل‌های استفاده از بیومایعات در میکروتوربین‌ها را بررسی کردند. نتایج نشان داد که میکروتوربین‌ها می‌توانند بیومایعات با ویژگی‌های متنوع را با بازدهی بالا و انتشار آلایندگی کم بسوزانند[8]. مانگرا در مطالعه‌ای به طراحی و تحلیل عددی محفظه احتراق حلقوی یک میکروتوربین که برای هواپیماهای چندمنظوره کوچک طراحی شده‌است، پرداخت. شبیه‌سازی‌های عددی سه‌بعدی با استفاده از نرم‌افزار ANSYS CFX انجام شد. مدل انتقال ذرات برای شبیه‌سازی قطرات سوخت مایع، با قطر اولیه 500 میکرومتر، استفاده شد. نتایج نشان داد که شعله در ناحیه مرکزی محفظه احتراق توسعه می‌یابد و دیواره‌ها از دماهای بالا محافظت می‌شوند [9]. فورتوناتو و همکاران در مطالعه‌ای به بررسی تجربی و عددی رفتار محفظه احتراق میکروتوربین گاز در حالت احتراق ملایم و شدید با اکسیژن کم پرداختند. عملکرد محفظه احتراق برای دو سوخت متان و بیوگاز مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که محفظه در کاهش آلاینده‌ها، به‌ویژه CO و NOx، بسیار موفق عمل کرده و انعطاف‌پذیری بالایی نسبت به سوخت داشت، به‌طوری که احتراق پایدار و اشتعال در هر دو سوخت امکان‌پذیر بود [10]. پارنت و همکاران طراحی و تحلیل یک محفظه احتراق میکروتوربین را به منظور بررسی احتراق سوخت‌های غیرمعمول انجام دادند. برای کنترل دمای شعله و کاهش تولید NOx، از تکنیک جریان پیش‌مخلوط رقیق استفاده شد، که به‌طور مؤثری دمای شعله را کنترل کرده و منجر به کاهش انتشار آلاینده‌های NOx شد [11]. حسین آشینی و همکاران، احتراق گاز بیوگاز / گاز سنتزی را در یک میکروتوربین بررسی کردند. تغییر سوخت باعث افزایش ۱۰۰ درجه‌ای دمای خروجی، افزایش ۵۰ درصدی NOx در حضور هیدروژن و کاهش انتشار CO تا یک‌دهم مقدار گاز طبیعی شد که نشان‌دهنده پتانسیل این سوخت‌ها به‌عنوان گزینه‌های پاک‌تر برای میکروتوربین‌ها است [12]. سانتوس و همکاران، تشکیل دوده و انرژی حرارتی در احتراق گاز سنتزی با غنی‌سازی اکسیژن و افزودن استیلن را بررسی کردند. افزایش سطح استیلن انرژی حرارتی را افزایش داد و غنی‌سازی اکسیژن باعث تشکیل دوده بیشتری در شرایط رقیق شد [13]. چنگ‌فِی تائو و همکاران، دریافتند که نوسانات ترموآکوستیک در احتراق گاز سنتزی در نسبت هم ارزی زیر 8/0 آغاز می‌شود و در 5/0، حالت دوم نوسانات غالب می‌شود. برگشت شعله و بیشترین نوسان آزادسازی حرارتی در نسبت هم ارزی 5/0 رخ می‌دهد [14]. کوبیلای و همکاران، به مطالعه مخلوط‌های گاز سنتزی و هیدروژن در احتراق پرداختند. نتایج نشان داد که تشکیل CO2 در نسبت هم ارزی 1 به بیشترین مقدار رسید. دمای شعله آدیاباتیک بین 

[1]     B.-b. Microturbines, and D.-g. Market, “Biofuel-burning Microturbine,” February 2004.
[2]     A. A. M. M. Ali, K. Ali, C. Kim, Y. Lee, S. Oh, and K. Kim, “Numerical study of the combustion characteristics in a syngas-diesel dual-fuel engine under lean condition, ” International Journal of Automotive Technology, vol. 20, pp. 933-942, February, October 2019.
[3]     F. Fantozzi, P. Laranci, M. Bianchi, A. De Pascale, M. Pinelli, and M. Cadorin, “CFD simulation of a microturbine annular combustion chamber fuelled with methane and biomass pyrolysis syngas: Preliminary results, ” in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, January 2009, pp. 811-822.
[4]     F. Fantozzi, P. Laranci, and G. Bidini, “CFD simulation of biomass pyrolysis syngas vs. natural gas in a microturbine annular combustor, ” in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, October 2010, pp. 649-658.
[5]     P. Laranci, E. Bursi, and F. Fantozzi, “Numerical analysis of a microturbine combustion chamber modified for biomass derived syngas, ” in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, January 2011, pp. 541-548.
[6]     E. S. Tan, and K. Palanisamy, “Experimental and simulation study of biodiesel combustion in a microturbine, ” in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, January 2008, pp. 889-897.
[7]     B. Bazooyar, and H. G. Darabkhani, “Design, manufacture and test of a micro-turbine renewable energy combustor, ” Energy Conversion and Management, vol. 213, pp. 112782, June 2020.
[8]     T. Seljak, K. Pavalec, M. Buffi, A. Valera-Medina, D. Chiaramonti, and T. Katrašnik, “Challenges and solutions for utilization of bioliquids in microturbines, ” Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 141, no. 3, pp. 031401, March 2019.
[9]     A. Mangra, “Design and Numerical Analysis of a Micro Gas Turbine Combustion Chamber, ” Engineering, Technology & Applied Science Research, vol. 10, no. 6, pp. 6422-6426, December 2020.
[10]   V. Fortunato, A. Giraldo, M. Rouabah, R. Nacereddine, M. Delanaye, and A. Parente, “Experimental and numerical investigation of a MILD combustion chamber for micro gas turbine applications, ” Energies, vol. 11, no. 12, pp. 3363, December 2018.
[11]   J. Parente, G. Mori, V. V. Anisimov, and G. Croce, “Micro gas turbine combustion chamber design and cfd analysis, ” in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, January 2004, pp. 787-796.
[12]   H. Ashini, S. Tabejamaat, and M. Bastani, “Experimental and numerical study on combustion of biogas/lean-hydrogen syngas mixtures in a microturbine combustor,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 102, pp. 1-19, February 2025.
[13]   A. Á. B. Santos, P. R. F. Neves, P. da Silva Melo, W. T. Barbosa, J. B. Azevedo, and L. L. N. Guarieiro, “Assessment of soot formation and thermal radiation in syngas flame using oxygen-enhanced combustion under lean mixing conditions and acetylene doping, ” International Journal of Thermofluids, pp. 101094, January 2025.
[14]   C. Tao, and H. Zhou, “The excitation and evolution characteristics thermoacoustic instability in syngas micromixed combustion, ” Physics of Fluids, vol. 37, no. 2, February 2025.
[15]   K. Bayramoğlu, C. Coskun, T. Bayramoğlu, S. Yılmaz, and Z. Oktay, “Thermodynamic and environmental investigation of hydrogen addition during combustion in municipal sewage sludge-based syngas, ” International Journal of Hydrogen Energy, February 2025.
[16]   Y. Kong, G. Chen, T. Zhou, A. Zhang, H. Deng, X. Wen, F. Wang, and C. Yu, “Characterization of the effect of H2/high-H2 syngas addition to the laminar combustion characteristics of C2H2 flames, ” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 98, pp. 219-229, January 2025.
[17]   F. Wang, C. Xiao, D. Zhang, Y. Wang, X. Wen, H. Deng, and G. Chen, “Effects of addition NH3 and N2 dilution on combustion and the emission characteristics of syngas, ” Chemical Engineering Research and Design, vol. 214, pp. 154-165, February, February 2025.
[18]   A. Lipatnikov, Fundamentals of premixed turbulent combustion: CRC Press, October 2012.
[19]   E. Mularz, “Lean, premixed, prevaporized combustion for aircraft gas turbine engines, ” in 15th Joint Propulsion Conference, June 1979, pp. 1318.
[20]   M. A. Nemitallah, A. A. Abdelhafez, M. A. Habib, M. A. Nemitallah, A. A. Abdelhafez, and M. A. Habib, “Premixed combustion for gas-turbine applications, ” Approaches for Clean Combustion in Gas Turbines, pp. 13-97, March 2020.
[21]   M. A. Nemitallah, M. A. Habib, and A. Abdelhafez, "Applications of Fuel/Oxidizer-Flexible Premixed Combustion in Gas Turbines," Hydrogen for Clean Energy Production: Combustion Fundamentals and Applications, pp. 293-383: Springer, September 2024.
[22]   A. Sohrabi, and S. M. Mirsajedi, “3D simulation and study of biogas combustion in C30 microturbine annular combustion chamber, ” Fuel and Combustion, vol. 17, no. 1, pp. 72-86, August 2024.
[23]   I. Glassman, R. A. Yetter, and N. G. Glumac, Combustion: Academic press, December 2014.
[24]   S. R. Turns, Introduction to combustion: McGraw-Hill Companies New York, NY, USA, January 1996.
[25]   C. Abagnale, M. C. Cameretti, R. De Robbio, and R. Tuccillo, “Thermal cycle and combustion analysis of a solar-assisted micro gas turbine, ” Energies, vol. 10, no. 6, pp. 773, June 2017.
[26]   J. Chen, M. G. Mitchell, and J. G. Nourse, “Development of Ultra-Low Emission Liquid Fuel-Fired Microturbine Engines for Vehicular Heavy Duty Applications, ” in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, October 2009, pp. 281-289.
[27]   J. Chen, M. G. Mitchell, and J. G. Nourse, “Development of Ultra-Low Emission Diesel Fuel-Fired Microturbine Engines for Vehicular Heavy Duty Applications: Combustion Modifications, ” in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, October 2010, pp. 521-530.
[28]   A. Fluent, “Ansys fluent theory guide, ” Ansys Inc., USA, vol. 15317, pp. 724-746, November 2011.
[29]   S. Patankar, Numerical heat transfer and fluid flow: CRC press, October 2018.
[30]   S. Chen, D. Zhao, H. K. H. Li, T. Y. Ng, and X. Jin, “Numerical study of dynamic response of a jet diffusion flame to standing waves in a longitudinal tube, ” Applied Thermal Engineering, vol. 112, pp. 1070-1082, February 2017.
[31]   C. Xiao, M. Omidi, A. Surendar, A. a. Alizadeh, D. O. Bokov, Binyamin, and D. Toghraie, “Simulation of combustion flow of methane gas in a premixed low-swirl Burner using a partially premixed combustion model, ” Journal of Thermal Science, vol. 31, no. 5, pp. 1663-1681, September 2022.
[32]   M. Medhat, M. Yehia, M. C. Franco, and R. C. Rocha, “A numerical prediction of stabilized turbulent partially premixed flames using ammonia/hydrogen mixture,” Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, vol. 87, no. 3, pp. 113-133, October 2021.
[33]   C. T. Corporation, C30 Microturbine High-pressure Natural Gas Data Sheet, Capstone P/N 331140A, Chatsworth, CA, USA, July 2017.
[34]   M. C. Cameretti, “Modelling of a Hybrid Solar Micro-Gas Turbine fuelled by biomass from agriculture product, ” Energy Reports, vol. 6, pp. 105-116, February 2020.
[35]   J. Chen, M. G. Mitchell, and J. G. Nourse, “Development of Ultra-Low Emission Diesel Fuel-Fired Microturbine Engines for Vehicular Heavy Duty Applications: Combustion Modifications, ” in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, October 2010, pp. 521-530.
[36]   G. Löffler, R. Sieber, M. Harasek, H. Hofbauer, R. Hauss, and J. Landauf, “NOx formation in natural gas combustion—a new simplified reaction scheme for CFD calculations, ” Fuel, vol. 85, no. 4, pp. 513-523, March 2006.