Gaz türbinlerinde hidrojen-hidrokarbon karışım yakıtlarının kullanılması ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği tekniği kullanarak yanma ve emisiyon modellemesiyle ilgili yapılan çalışmalar, literatürde sınırlı sayıda bulunmaktadır. Yapılan çalışmaların birçoğu, ya sıfır boyutlu teorik çalışmlar ya da gaz türbini yanma odasını tam olarak yansıtmayan deneysel çalışmalardır. Ele alınan çalışmada göz önünde bulundurulan sistem, bu çalışmanın amacına yönelik olarak daha önceki çalışmalarda kullanılmamıştır. Bu nedenle, yürütülen bu çalışmada elde edilen sayısal ve deneysel sonuçlar literatürde az sayıda bulunan çalışmalarla karşılaştırılmıştır.
Hidrojen ve hidrojen-hidrokarbon karışım yakıtlar, hidrokarbon esaslı yakıtlardan (doğalgaz gibi) farklı yanma karakteristikleri gösterirler. Hidrokarbon yakıta hidrojen eklendiğinde, alevin fiziksel yapısı, stabilitesi, emisyon özellikleri etkilenir. Bu çalışmada elde edilen sayısal simülasyon sonuçlarında, yanma odası sıcaklık dağılımları ve kimyasal bileşen dağılımları belirlenmiştir. Deneysel çalışmada ise, farklı yakıt karışımları için emisyon değerleri (NO, CO) ve yanma odası çıkış sıcaklığı değeri belirlenmiştir.
Tomzack vd. (2002) tarafından yapılan çalışmada, doğalgaz-hidrojen yakıt karışımı incelenmiş, yakıt karışımındaki hidrojen oranı arttıkça alev boyunun küçüldüğü belirtilmiştir. Çalışmada, NO emisyonu artarken CO emisyonu azalmıştır. Tomzack vd.’nin yaptığı çalışma ile bu çalışmada elde edilen NO emisyonlarının, türbin giriş sıcaklığına göre değişimi farklı yakıt karışımları için Şekil 8.1’de görülmektedir. İçteki grafik, bu çalışmada elde edilen sonuçları göstermektedir. Her iki çalışmada da, türbin giriş sıcaklığının artması ile NO emisyonu değişim karakteristiği benzer eğilim göstermektedir.
Halter vd. (2007) tarafından, gaz türbinleri için hidrojen içerikli yakıt karışımlarının uygunluğunu araştırmak amacıyla, laminer alev yayılımı sağlayan deney düzeneği ve yüksek basınçlı türbülanslı alev şartları sağlayan deney düzeneği kullanarak, metan/hava alevine hidrojen eklenmesinin (yakıta hacimsel olarak % 0, % 10 ve % 20 hidrojen eklenmesi durumlarında) etkisinin incelendiği çalışmada, yakıta hidrojen eklenmesiyle ortalama alev yüksekliliğinin azaldığı, alev yüzey yoğunluğunun arttığı belirlenmiştir. Ele alınan bu çalışmada ise, yüksek sıcaklıktaki yanma bölgesi hidrojen eklendikçe yakıcı ön bölümüne doğru kaymıştır. NO emisyonu değerleri, eklenen hidrojen oranı arttıkça, kısmen yükselmiş, CO emisyonu ise azalmıştır.
Turbin giris sicakligi [o C] NO x [p pm ] 700 750 800 850 900 950 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 % 100 DG % 25 DG % 50 DG % 75 DG % 100 H2 Tomzcak vd. 2002
Turbin giris sicakligi [o
C] NO x [pp m ] 450 500 550 600 650 700 750 0 20 40 60 80 % 100 M % 10 H2 % 20 H2 % 30 H2
Şekil 8.1 Türbin giriş sıcaklığına göre NO emisyonu değişimi
Juste (2006) tarafından gerçekleştirilen çalışmada kerosen-hidrojen karışım yakıtları kullanılmış, düşük yakıt fazlalık katsayılarında NO emisyonu değerlerinde çok fazla değişiklik olmadığı, ancak CO emisyonu değerlerinde azalma olduğu belirlenmiştir. Temel yakıt olarak metanın kullanıldığı bu çalışmada ise, düşük yakıt fazlalık katsayılarında, karışıma eklenen hidrojen oranı arttıkça, oluşan NO emisyonu seviyelerinde önemli bir artış görülmemiştir. Ancak, CO emisyonu seviyeleri oldukça azalmıştır.
Bozza vd. (2004) tarafından gerçekleştirilen çalışmada, doğalgaz reformasyonu ile elde edilen hidrojen, karışım yakıtı olarak kullanılmış, doğalgaza hidrojen eklenmesiyle adyabatik alev sıcakığının arttığı, ısıl NO oluşumunun yüksek sıcaklıklara bağlı olması nedeniyle, NO miktarının arttığı belirlenmiştir. Metan-hidrojen karışımlarının kullanıldığı bu çalışmada ise, göz önünde bulundurulan tüm şartlarda, yakıta eklenen hidrojen miktarı arttıkça, oluşan yerel doruk sıcaklıklar artmaktadır. NO emisyonu değerleride hidrojen oranı arttıkça artmaktadır. Choudhuri ve Gollahalli (2002), hidrojen-hidrokarbon karışımı difüzyon alevinde, yanma karakteristikleri ve alev yapısının belirlenmesi amacıyla gerçekleştirdikleri deneysel çalışmada, CO emisyonu, yakıt karışımı içerisindeki doğalgaz yüzdesinin artışı ile artmakta, NO emisyonu ise azalmaktadır. Ele bu alınan çalışmada, yakıt karışımı içerisindeki metan oranı azaldıkça, NO emisyonu çok keskin değişimler olmamak kaydıyla artmaktadır.
alevlerinin sayısal simülasyonunu, HAD kodu Fluent kullanarak gerçekleştirmişlerdir. Çalışmada, hidrojen yakıtına metan eklenmesinin alev sıcaklıklarını azalttığı, dolayısıyla NO emisyonunu azalttığı belirlenmiştir. Düşük yakıt fazlalık katsayılarında gerçekleştirilen bu çalışmada yakıt karışımı içerisindeki hidrojen oranının artışı alev sıcaklıklarını artırmakta alev uzunluğu ve yapısını değiştirmektedir.
Morris vd. (1998) tarafından yapılan çalışmada, yakıt olarak doğalgaz kullanılan önkarışımlı yanma sistemine sahip büyük ölçekli bir gaz türbininde, yakıta % 12’ye kadar varan oranlarda hidrojen eklenerek emisyon değerleri araştırılmıştır. Bu çalışmada elde edilen bulgulara benzer olarak, yakıta eklenen hidrojen miktarı arttıkça, CO emisyonun azaldığı, NO emisyonu seviyelerinde ise kayda değer değişikliğin olmadığı tespit edilmiştir. Buna karşın, önkarışımlı yanma sisteminde alev tepmesi meydana gelmiş ve çalışmada difüzyon esaslı yanma sisteminin seçilmesi gerekliliği vurgulanmıştır.
Maughan vd. (1993) yüksek basınçlı difüzyon esaslı bir yanma odasında, doğalgaza hidrojen eklenmesinin etkisini incelemişler ele alınan bir sıcaklıkta doğalgaza hidrojen eklenmesiyle, bu çalışmada elde edilen sonuçlara benzer olarak, CO emisyonunun azaldığını göstermişlerdir.
Phillips ve Roby (1999) tarafından gerçekleştirilen çalışmada ön karışımlı yanma esasına göre çalışan bir yanma odasında hacimsel olarak % 10 hidrojen, temel yakıt doğalgaza eklendiğinde verilen bir NO emisyonu seviyesinde CO emisyonun azaldığını gözlemlemişler ve bu durumu hidrojenin etkisi nedeniyle meydana gelen radikal (H, O, OH vb.) seviyelerindeki artışa yorumlamışlardır. Ek OH radikallerinin varlığı alev içindeki CO’in oksidasyon oranını artırmakta ve daha düşük seviyelerde CO oluşmasına neden olmaktadır. Coppens vd. (2006) tarafından yapılan çalışmada, bu çalışmada elde edilen sonuçlara benzer olarak, fakir karışım şartlarında, metan yakıtına hidrojen eklenmesinin NO oluşumu üzerinde çok büyük etkiye sahip olmadığı, hidrojen oranının artışıyla yakıcı girişinde sıcaklık artışlarının meydana geldiği belirlenmiştir.
Wicksall ve Agrawal (2006) tarafından gerçekleştirilen çalışmada, farklı oranlarda ele alınan CH4-H2 karışım yakıtları, ön karışımlı alev şartları sağlanarak yakılmıştır. Çalışmada alev
uzunluğu, emisyon değerleri, adyabatik alev sıcaklığı göz önünde bulundurularak değerlendirilmiştir. Adyabatik alev sıcaklığı arttıkça, alev uzunluğun azaldığı, düşük adyabatik alev sıcaklığı şartlarında NO emisyon seviyelerinde çok fazla bir değişim olmadığı, CO emisyonunun ise azaldığını belirlemişlerdir. Yüksek adyabatik alev sıcaklığı şartlarında
ise bu emisyon değerleri oldukça artmaktadır. Yakıta eklenen hidrojen miktarı arttıkça, düşük adyabatik alev sıcaklığı şartlarındaki NO emisyonu değerlerinde, önemli bir değişiklik olmamaktdadır. CO emisyonunda ise azalmalar meydana gelmektedir. Alevin difüzyon alevi şeklinde stabilize olduğu bu çalışmada ise, Wicksall ve Agrawal tarafından elde edilen sonuçlardaki eğilimlere benzer sonuçlara ulaşılmıştır. Bu da oluşturulan modelin gerek literatür gerekse deneysel sonuçlara uyan değerler verdiğini göstermektedir.