Unconfined NG/H2 flame stability and flame morphology analysis in a double swirl burner

In the framework of investigating the stability and flame morphology of low-swirl flames, a partially premixed double swirl burner is utilized with hydrogen-enriched natural gas blend fuel. In conventional combustors, the swirl effect is characterized by the rotational motion around the jet axis and effectively used to increase the flame stability, provide better combustion efficiency and decrease the pollutant emissions. The swirl effect can be created by various applications in the burners, according to the previous work done on the same combustor, it is discovered that the most significant parameter is the secondary split ratio for both isothermal and combustion conditions to control the swirl effect. In the present study, the lean stability limit of the flame is determined by decreasing the secondary split ratio, thus the swirl effect. The results indicate that the flame stability is substantially dependent on various operating conditions, such as the split ratio, the global equivalence ratio, the premix equivalence ratio and yielded that premix airflow has more effect on stability than the global equivalence ratio for this burner. The stability mapping is extended by using a natural gas hydrogen blend fuel instead of using natural gas solely by keeping the total power constant. It is known that the hydrogen has a wider flammability range compared to the natural gas and it is observed that the stability map is further extended by the introduction of hydrogen. Especially with 0 of hydrogen addition, flame stability is ensured with a lower amount of swirl. Moreover, flame morphology is investigated under varying operating parameters and hydrogen concentrations for constant secondary split ratio by determining flame height, width and altitude. Premix and global equivalence ratios play a significant role in altering the flame shape, generally, the height is increased when the global equivalence ratio is increased, whereas the altitude is found not to be changing with the change in the global equivalence ratio when a high amount of premix airflow is supplied to the system. The height of the flame is increased with hydrogen addition for every premix equivalence ratio that has been studied. However, the most significant change is observed for premix equivalence ratio = 2 conditions where the altitude is decreased by approximately @ with hydrogen addition.

Il presente lavoro riporta l’analisi sperimentale della stabilità e della morfologia di fiamme di gas naturale e idrogeno in un bruciatore parzialmente premiscelato a doppio swirl. Nei bruciatori il moto di swirl è utilizzato per aumentare la stabilità della fiamma, fornire una migliore efficienza di combustione e ridurre le emissioni di inquinanti. Lavori precedenti condotti in condizioni isoterme e sullo stesso bruciatore utilizzato in questo studio hanno evidenziato come il grado di swirl del getto secondario influenzi in modo significativo il campo di moto. Nel presente studio viene analizzata l’influenza del grado di swirl del getto secondario, del rapporto di equivalenza globale e del rapporto di equivalenza del getto premiscelato sul limite di stabilità (blow-off) della fiamma. In particolare il grado di premiscelazione (ovvero la quantità di aria premiscelata con il combustibile) risulta avere una maggiore influenza sulla stabilità di fiamma rispetto alla variazione del rapporto di equivalenza globale. Lo studio è stato poi esteso utilizzando due miscele di gas naturale e idrogeno (10% e 20% idrogeno in volume) e una potenza termica pari a quella utilizzata nella prove con il solo gas naturale. È noto che l'idrogeno ha una maggiore reattività rispetto al gas naturale, di conseguenza i risultati sperimentali evidenziano dei limiti di stabilità più ampi di quelli ottenuti per la fiamma di solo gas naturale. In particolare aggiungendo il % 30 di idrogeno, la stabilità della fiamma è garantita utilizzando un grado di swirl del getto secondario nettamente inferiore a quanto osservato per il caso del solo gas naturale. Infine è stata analizzata la morfologia della fiamma al variare dei grado di swirl del getto secondario, della premiscelazione e della concentrazioni di idrogeno nel gas naturale. Il grado di premiscelazione e il rapporto di equivalenza globale influenzano in modo significativo la forma della fiamma, in generale l'altezza aumenta quando si aumenta il rapporto di equivalenza globale, mentre con elevate quantità di aria di premiscelamento la distanza di lift-off non varia al variare del rapporto di equivalenza globale. Nel caso di fiamma non premiscelata l’aggiunta di idrogeno porta ad un aumento dell'altezza della fiamma indipendentemente dal rapporto di equivalenza del getto premiscelato. Invece, nel caso di rapporto di equivalenza premiscelato = 2 e miscela con 30% idrogeno, la distanza di lift-off è circa il 40% inferiore rispetto a quella del caso del solo gas naturale.