Experimental analysis of natural gas combustion in a double swirl burner

Good mixing quality allows to provide a high combustion efficiency and contained pollutants emission. A well-known methodology to improve the mixing between fuel and oxidizer is to provide a tangential component to the jet which assumes the swirl configuration. In particular a recirculating area arises; this zone is extremely important for flame stability since hot flue gases recirculate and keep igniting the fresh mixture injected. Besides in the set-up employed for this thesis two different flows can be independently controlled allowing the exploitation of the staged combustion. Synthetically a first rich combustion is performed to avoid the formation of 𝑁𝑂𝑥 due to the low temperatures; then the unburned products are completely oxidized by means of the secondary air injected. During the isothermal tests the modifying parameter was the premixed split ratio which determines the amount of the recirculated mass flow, the width of the back-flow region and its velocity along the centreline. From the velocity profiles, acquired with the LDV technique, it appeared that for high premix split ratio the recirculation became more significant while for low premix split ratio the maximum velocities in the annulus were reached. Of these conditions the spectral analysis were performed to identify the presence of coherent structure; it emerged that for higher flow rate the period of the velocity fluctuations shortened that suggests the occurrence of a PVC. In the reacting regime the anchoring of the flame was ensured only for conditions that presented significant recirculation zone near the nozzle suggesting that what hinders stability the most are the high velocity gradients. This assumption was confirmed in the stability analysis where it was demonstrated that the increment of secondary air allows to provide ignition to mixtures not as lean as subtracting the fuel from the reference conditions. Flame morphology results being dependent from all the controlling parameters of the set-up; fortunately the modification of a single control variable affects mainly a single dimension of the flame. Moreover morphology has been registered as a very relevant characteristic that influences the 𝑁𝑂𝑥 formation rate. In fact bonding between pollutants formation rate and parameters like temperature and residence times stated in literature was generally confirmed but what greatly reduced 𝑁𝑂𝑥 emission was the transition to a detached flame that in literature is observed for low swirl levels. This flame morphology was reached reducing the Secondary Split ratio; hence this parameter results being the most influent not only in the isothermal regime, as declared in previous work, but also when combustion is introduced.

Un buon miscelamento permette di garantire un’alta efficienza di combustione nonché delle emissioni contenute. Una metodologia ben nota per migliorare il miscelamento tra combustibile e ossidante è di impartire al flusso una componente tangenziale ottenendo dunque un flusso swirlato. In particolare, si viene a formare una zona di ricircolo, essa è estremamente importante per la stabilità di fiamma poiché i gas combusti ricircolano e mantengono infiammabile la miscela fresca introdotta. Inoltre, nell’apparato sperimentale utilizzato per questa tesi è possibile controllare indipendentemente due flussi distinti consentendo così di mettere in atto la combustione frazionata. In particolare, si ha una prima combustione ricca, così da evitare la formazione di 𝑁𝑂𝑥 a causa delle temperature basse; poi i prodotti incombusti sono completamente ossidati attraverso l’aria secondaria introdotta. Durante i test in campo isotermo il parametro di controllo è stato il rapporto di equivalenza primario che determina la quantità di flusso ricircolante, la larghezza della zona di flusso inverso e la sua velocità lungo l’asse di mezzeria. Dai profili di velocità, acquisiti tramite tecnica LDV, è emerso che per rapporti di equivalenza primari alti il ricircolo diventava più significativo mentre per rapporti di equivalenza primari bassi si raggiungevano le massime velocità nell’anulo. È stata poi eseguita l’analisi spettrale di queste condizioni per identificare la presenza di strutture coerenti; è emerso che aumentando le portate dei flussi il periodo delle fluttuazioni di velocità diminuiva, ciò suggeriva dunque la presenza di un PVC. Nel regime di combustione l’ancoraggio della fiamma era garantito solo per le condizioni che presentavano una zona significativa di ricircolo vicino all’ugello suggerendo che ciò che più ostacolava la stabilità fossero gli elevati gradienti di velocità. Quest’ipotesi è stata confermata nell’analisi della stabilità dove è stato visto è possibile infiammare miscele non magre tanto quanto quelle ottenute dallo smagrimento effettuato attraverso la procedura di riduzione del combustibile. La morfologia di fiamma è risultata essere dipendente da tutti i parametri di controllo; fortunatamente la modifica di una singola variabile di controllo influisce principalmente su una singola dimensione della fiamma. Inoltre, la morfologia è stata classificata come una caratteristica fondamentale nell’influenzare il rateo di formazione dei 𝑁𝑂𝑥. Infatti, in letteratura i legami tra il rateo di formazione degli inquinanti e parametri come temperatura e tempi di residenza sono stati confermati, ciò che tuttavia riduceva maggiormente le emissioni di 𝑁𝑂𝑥 era la transizione a fiamma staccata che sempre in letteratura è stata osservata per bassi livelli di swirl. Questa configurazione di fiamma è stata raggiunta riducendo lo split ratio secondario; pertanto questo parametro risulta essere il più influente non solo nel regime isotermo, come già dichiarato nel precedente lavoro, ma anche quando viene introdotta la combustione.