Bättre förbränning med elektrisk energi i flamman

2020-04-14 06:00  

Att tillföra så lite som 0,2 procent elektricitet vid förbränning kan stabilisera flamman, öka verkningsgraden och sänka utsläppen, visar forskning från LTH. ”Det här är något helt nytt. Det har ingen sett tidigare”, säger professor Christer Fureby.

Brännare används i allt från spisar till gasturbiner och stålverkens enorma ugnar. I flygplanens jetmotorer finns också en flamma som kontinuerligt hettar upp och expanderar den insugna luften så att den pressas bakåt med våldsam kraft.

Gemensamt för alla applikationer är att flamman måste hållas stabil. Börjar den fladdra eller ”pumpa” kan det ge skadlig mekanisk påverkan på omkringliggande komponenter. Långt innan dessa fenomen uppstår har resultaten dessutom blivit sänkt verkningsgrad och ökade emissioner av oförbrända kolväten, kolmonoxid, koldioxid och kväveoxider (NOx). Genom att tillsätta mer bränsle kan flamman stabiliseras, men det leder till högre temperatur och därmed större utsläpp av kväveoxider.

Resultaten överträffar förväntningarna

En viktig faktor för en stabil flamma handlar också om bränslets kvalitet. Biobränslen varierar generellt sett mer i sammansättning än fossila bränslen. Det har därmed uppstått ett behov av att snabbt kunna justera förbränningen för att kompensera för dessa variationer.

En möjlig väg framåt handlar om att tillföra en liten mängd elektrisk energi. Detta kallas för plasmaunderstödd förbränning. Ett svenskt forskningsprojekt vid namn Effect försöker att lista ut hur det görs på bästa sätt. Projektet har pågått sedan 2012 och dess andra fas börjar nu närma sig sluttampen. Forskningen finansieras av Energimyndigheten.

Resultaten vid de senast avslutade experimenten har överträffat förväntningarna med råge, enligt Christer Fureby, professor vid avdelningen för värmeöverföring på Lunds tekniska högskola (LTH).

– Ett krav från Energimyndigheten var att mängden elektrisk energi inte får vara mer än 1 procent av den termiska energin i flamman. Det visar sig att vi ligger långt under det, typ 0,2 procent. Det här är något helt nytt. Det har ingen sett tidigare, säger han.

Läs mer: Siemens ”unikt i världen” med system där 3d-utskrift industrialiseras

Som i många andra ingenjörsutmaningar handlar även detta projekt om att balansera på rätt sida om en tunn linje. För att öka verkningsgraden och minska NOx-utsläppen i gasturbinen i experimentet vill man använda en mager bränsleblandning, det vill säga mycket syre och lite bränsle. Men då är också risken som störst för en instabil flamma – vilket snabbt ökar mängden utsläpp. Det är här den elektriska energin kommer in i bilden.

– Vi trodde att vi skulle bli bestraffade i form av högre utsläpp av kväveoxider. Då hade det här inte varit rätt väg framåt. Nu visade det sig att även NOx:en sjunker. Vi kan inte riktigt förklara varför det är så, men det är fantastiskt att se, säger han.

Video: En numerisk simulering som visar flammans utsläckning när bränsleblandningen till slut blir för mager. Motsvar vad som händer vid Φ=0,46 i översta raden på sista bilden i bildspelet högst upp i artikeln.

Gasturbin SGT-750 används

Det finns flera sätt att tillföra elektriciteten. I experimentet som nu genomförts användes brännaren från en gasturbin (Siemens SGT-750) med en högspänningselektrod installerad.

I tidigare experiment har elektroden fungerat som flamhållare, det vill säga flamman samlas runt elektroden. Men då brann elektroden upp relativt snabbt.

Forskarna har därför försökt hitta andra sätt. I det nu genomförda experimentet användes något som kallas för glidande urladdning. Elektriciteten avges genom en kontrollerad urladdning mellan elektroden och en jordad omgivning. På så vis hamnar urladdningen nära flamman, men ändå inte riktigt i den.

Den mest lovande metoden handlar om att använda sig av mikrovågor, det vill säga skapa ett elektriskt fält. På så vis kan urladdningen hamna mitt i flamman där den gör bäst nytta. Men mer forskning behövs på detta område.

Video: Filmen visar vad som händer då plasmat (den elektriska energin) slås av och på. När plasmat är på så ”sätter sig” flamman närmre mynningen och stabiliseras.

Metoderna med glidande urladdning och mikrovågor har båda fördelen att elektroden aldrig behöver komma i direktkontakt med flamman.

– Då kan man få ett system som rent praktiskt håller mycket längre. Man ska inte behöva byta elektrod en gång i timmen, säger Christer Fureby.

Behöver inte förstå allt som händer

Brännaren till SGT-750 är reglerbar och geometriskt komplex. Forskarna har även tittat på enklare uppställningar för att försöka förstå de grundläggande fenomenen.

– Det mest centrala är att när elektrisk energi deponeras i flamfronten påverkas kemin och det blir väldigt varmt. Hur den termiska upphettningen och kemin påverkas vet vi dock väldigt lite om. Vi vet att det händer men inte hur viktiga komponenterna är relativt varandra, säger han.

En viktig slutsats är att de faktiskt inte behöver förstå precis varenda delsteg. I projektet kombineras experiment, numeriska simuleringar och teori med ingenjörsmässighet.

– Man kan bli sittande med grundforskning hela livet. Vi vill till applikation snabbt och då kommer man att missa vissa kunskapsbitar. Vi får acceptera det, annars kan vi inte gå framåt, säger Christer Fureby.

Siemens, SSAB och FOI deltar

Projektet innehåller många olika aktörer. Siemens Energy i Finspång (fram tills nyligen Siemens Industrial Turbomachinery) med sina gasturbiner, SSAB med sina enorma gasbrännare för stålugnar och Totalförsvarets forskningsinstitut (FOI) med sin kunskap inom högspänning och plasmafysik. Från LTH deltar även Andreas Ehn, biträdande lektor vid avdelningen för förbränningsfysik, som tidigare bland annat utvecklat en kamera som kan fånga förlopp på femtosekundsskalan.

– Experimenten vi nu gör hade vi aldrig kunnat göra utan industrins hjälp. De bidrar med sofistikerade brännare. Med laborativa flammor hade det varit svårt att komma framåt, säger Andreas Ehn.

Sammansättningen av aktörer har varit helt avgörande för att nå resultat, enligt både Christer Fureby och Andreas Ehn.

Det återstår fortfarande mycket utvärdering av resultatet efter experimenten som just avslutats.

– Det mest slående hittills är förstås den visuella effekten. Så småningom kommer det att bli siffror av det, säger Andreas Ehn.

Svårt med plasmaunderstödd förbränning hos SSAB

När tekniken kan finnas kommersiellt tillgänglig återstår att se. Siemens gasturbiner verkar ligga närmast till hands. SSAB:s brännare till stålugnarna är betydligt mer utmanande och andra tekniker kan behövas i det fallet. Jetmotorer för flygplan är en annan tillämpning som tekniken kan få betydelse för, i takt med att intresset för biobränslen växer.

Hur fortsättningen för Effect ser ut är ännu oklart. Finansiering finns till nästa år.

– Men tanke på resultaten vi har fått känns det som att plasmaunderstödd förbränning har ännu större potential än vi tidigare trott. Jag tror verkligen att den kan hjälpa till att förbättra hela energisystemet genom höjd verkningsgrad och lägre emissioner. Den har en roll att spela, säger Christer Fureby.

Fakta: Effect

Namn: Effect, Efficient Electric Combustion Technology.

Deltagare: LTH Förbränningsfysik, LTH Energivetenskaper, FOI, Siemens Energy och SSAB.

Finansiär: Energimyndigheten

Finansiering: Förstudie 2009–2010, 225 000 kronor. Steg 1 2012–2016, 16 miljoner kronor, Steg 2 2016–2021: 19,4 miljoner kronor.

Johan Kristensson

Mer om: Förbränning LTH

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt