L’uso dell’ammoniaca come combustibile per il riscaldamento industriale e la produzione di vapore viene considerato nel settore come una potenziale opzione per ridurre le emissioni industriali di gas serra, specialmente in regioni (ad esempio, Giappone, Corea) prive di gas naturale locale e/o di spazi porosi identificati peril sequestro della CO₂ . L’ammoniaca rappresenta un’opzione potenzialmente interessante come soluzione di combustibile a basse emissioni di carbonio grazie a: i) la sua densità energetica, che può garantire una maggiore trasportabilità rispetto all’idrogeno; ii) l’esistenza di protocolli, standard e infrastrutture in grado di facilitare il trasporto dell’ammoniaca; e iii) la possibilità di evitare potenzialmente la realizzazione di ulteriori impianti e il consumo energetico associato alla conversione dal vettore (ammoniaca/idrocarburi) al combustibile (idrogeno).
A causa della sua velocità di combustione laminare relativamente bassa, della sensibilità alle variazioni di velocità, dello stretto intervallo di infiammabilità e della tendenza a formare elevate concentrazioni di ossidi di azoto (NOx), l’ammoniaca presenta alcune difficoltà come combustibile rispetto agli idrocarburi gassosi e ai combustibili a base di idrogeno. Il presente articolo descriverà gli ulteriori sviluppi relativi alla progettazione dei bruciatori e alle relative capacità di fluidodinamica computazionale (CFD), testati e presentati al Simposio sulla combustione industriale dell’AFRC del 2025. Come risultato di questi ulteriori sviluppi e lavori, verrà presentato un progetto di bruciatore unico nel suo genere, basato sulla piattaforma GLSF ( FREE JET ) di Zeeco, specificamente destinato all’uso in applicazioni industriali di riscaldamento e generazione di vapore a tiraggio forzato. Verranno inoltre descritti i miglioramenti apportati agli strumenti di modellazione e ai metodi analitici che consentono di prevedere le prestazioni dei bruciatori ad ammoniaca nelle applicazioni commerciali.
Il lavoro di sviluppo descritto nel presente documento fa parte di un programma più ampio sulla combustione dell’ammoniaca finanziato da ExxonMobil, che comprende attività di ricerca di base condotte dal Massachusetts Institute of Technology (MIT) e dalla Stanford University, volte ad approfondire la comprensione dei processi di combustione dell’ammoniaca al fine di migliorare le prestazioni dei bruciatori a ammoniaca destinati ad applicazioni commerciali.
Il presente articolo includerà i dati relativi alle prove condotte sul bruciatore GLSF FREE JET modificato dall’ Zeeco, in regime di tiraggio forzato con e senza aria preriscaldata, utilizzando diverse miscele di ammoniaca e idrogeno o gas naturale in condizioni operative variabili, dimostrando i progressi compiuti nello sviluppo di un bruciatore in grado di fornire una fiamma stabile con emissioni di NOx e ammoniaca conformi agli obiettivi prestazionali. Il documento includerà inoltre analisi CFD a supporto e una discussione su come la CFD possa essere utilizzata per aiutare a prevedere le prestazioni di combustione. Questo articolo ribadirà che sia i test di combustione che la CFD sono essenziali per lo sviluppo di nuove tecnologie e per prevedere le prestazioni nelle applicazioni commerciali con ragionevole certezza.
L'interesse per la combustione dell'ammoniaca come mezzo per ridurre le emissioni di CO₂ è in aumento, in particolare nelle regioni prive di risorse di gas naturale o di opzioni per il sequestro della CO₂. L'ammoniaca offre un'elevata densità energetica, una bassa intensità di carbonio e un'infrastruttura globale consolidata, il che la rende più pratica da immagazzinare e trasportare rispetto all'idrogeno. Inoltre, la combustione diretta dell'ammoniaca consente di evitare il consumo di energia e l'utilizzo di attrezzature necessarie per la sua scissione in idrogeno.
L'adozione precoce di questa tecnologia è già in corso nelle centrali elettriche a carbone asiatiche, dove l'ammoniaca viene testata come combustibile di co-combustione per contribuire a ridurre le emissioni di CO₂. Tuttavia, questi sistemi dipendono ancora dalla riduzione catalitica selettiva (SCR) per contribuire a gestire gli NOx di origine termica e legati al combustibile prodotti durante la combustione dell'ammoniaca.
This program focuses on developing a commercial ammonia-fired burner suitable for both new and existing industrial heating applications. The objective is to create a fuel-flexible system that maintains stable operation under a wide variety of conditions while significantly reducing CO₂ emissions. Target performance includes NOx emission levels below 200 ppm (with a goal of <100 ppm) and ammonia (NH₃) slip below 50 ppm (preferably <10 ppm) at 3% O₂ dry. This paper outlines the progress achieved to date.
I modelli di bruciatori FREE JET® dell’ZEECO sono stati scelti come base per lo sviluppo di un bruciatore commerciale a tiraggio forzato alimentato ad ammoniaca. I test iniziali e l’ottimizzazione della configurazione sono stati condotti su bruciatori a tiraggio forzato modificati del tipo “ FREE JET ”, con potenza nominale di 4 MMBtu/h, presso il Global Technology Center dell’ Zeeco, vicino a Tulsa, in Oklahoma.
Anche lo sviluppo di modelli di fluidodinamica computazionale (CFD) costituisce un elemento fondamentale del programma. Mentre la modellizzazione della combustione degli idrocarburi e dell’idrogeno è ormai consolidata, la cinetica dell’ammoniaca e le interazioni tra turbolenza e chimica sono ancora in una fase iniziale di sviluppo. L’attività relativa alla CFD si concentra sul perfezionamento dei meccanismi di reazione e dei modelli di turbolenza, al fine di rappresentare in modo più accurato la combustione dell’ammoniaca. L’obiettivo è sviluppare strumenti CFD affidabili in grado di supportare la progettazione dei bruciatori e di contribuire a prevedere le prestazioni nelle applicazioni commerciali.
Figura 1: Bruciatore GLSF standard a tiraggio forzato FREE JET .
La Figura 1 mostra il bruciatore standard GLSF FREE JET . Il bruciatore sottoposto a prova è stato modificato per il funzionamento a ammoniaca. Tutti gli ugelli del gas, compresi quelli ausiliari, hanno bruciato lo stesso combustibile. La fiamma pilota singola ha bruciato gas naturale con un rilascio di calore pari a 90.000 Btu/ora. Il bruciatore GLSF FREE JET è progettato per essere semplice da utilizzare, gestisce il passaggio da un combustibile all’altro, dal 100% di ammoniaca al 100% di idrogeno fino al 100% di gas naturale, e qualsiasi miscela intermedia, mantenendo una fiamma stabile. Questi bruciatori sono progettati per funzionare da 10 a 20 anni, offrendo al contempo la semplicità e la stabilità richieste dagli utenti.
Un forno di prova verticale cilindrico (VC) a bruciatore singolo già esistente presso il Global Technology Center dell'Zeeco
è stato scelto e modificato per consentire la combustione con ammoniaca. Il forno, dimensionato in modo adeguato per il 4°
Il bruciatore da MMBtu/ora attualmente in fase di valutazione comprende una camera di irraggiamento alta circa 17,33 piedi con un
distanza tra il tubo e la parete pari a 5,83 piedi. Un unico bruciatore è montato al centro del fondo della camera di combustione, e
La temperatura del focolare viene regolata tramite tubi raffreddati ad acqua disposti lungo un lato del VC, riproducendo il
caratteristiche di assorbimento termico di un riscaldatore cilindrico verticale in commercio dotato di bruciatori multipli
disposte all’interno di un anello di tubi di processo. La tabella 1 fornisce ulteriori dettagli sul forno di prova utilizzato
in questo lavoro.
Tabella 1: Informazioni sul forno di prova
Sono stati aggiunti o potenziati i sistemi di alimentazione, vaporizzazione, tubazioni e dosaggio specifici per l’ammoniaca, al fine di garantire un funzionamento sicuro e affidabile. Una revisione completa della sicurezza ha confermato che le misure di protezione dell’impianto, le procedure operative e la formazione del personale erano adeguate per gestire i rischi associati alla manipolazione e alla combustione dell’ammoniaca. I protocolli operativi hanno tenuto conto di aspetti quali la posizione del personale, le condizioni ambientali, la velocità e la direzione del vento e altri fattori necessari per garantire lo svolgimento sicuro delle prove.
La misurazione accurata delle emissioni ha richiesto una notevole attenzione aggiuntiva. Gli analizzatori di NOx tradizionali basati sulla chemiluminescenza possono fornire risultati fuorvianti in presenza di fughe di NH₃, a causa delle interferenze chimiche all’interno dell’analizzatore. Era inoltre necessario quantificare la perdita di NH₃ e le emissioni di N₂O per soddisfare gli obiettivi di sviluppo dei bruciatori previsti dal programma. Sebbene le misurazioni degli NOx includano in genere solo NO e NO₂, esse non tengono conto dell’N₂O, che è solitamente trascurabile — spesso inferiore a 5 ppm — nei sistemi alimentati con combustibili a base di idrocarburi o idrogeno.
Tuttavia, l’ammoniaca contiene un’elevata percentuale di azoto legato al combustibile, il che comporta un potenziale aumento della formazione di N₂O. Storicamente, l’attenzione si è concentrata principalmente sull’NO e sull’NO₂ in relazione alla formazione dell’ozono atmosferico. Tuttavia, l’N₂O è un gas serra, il che rende importanti la sua misurazione e il suo controllo quando l’ammoniaca viene utilizzata come combustibile alternativo a basse emissioni di gas serra.
Per la misurazione delle emissioni, sul forno di prova sono stati installati i seguenti analizzatori. Tra questi figuravano:
Il flusso di lavoro di modellazione CFD ha fatto leva sul lavoro sviluppato nel primo anno di questo programma, in cui l’attenzione era incentrata principalmente sui bruciatori a tiraggio naturale¹. Poiché le caldaie sembrano rappresentare la principale opportunità di mercato a breve termine per lo sviluppo dei bruciatori a ammoniaca, nel secondo anno la nostra attenzione si è spostata sui bruciatori a tiraggio forzato. I bruciatori a tiraggio forzato utilizzano un ventilatore per l’aria di combustione e richiedono quindi energia elettrica, condutture, sistemi di controllo e attrezzature correlate. Funzionano con una caduta di pressione più elevata, tipicamente da circa 1 a 10 pollici di H₂O o più, ma in cambio sono in grado di garantire una migliore miscelazione, modulazione e stabilità della fiamma, consentendo così prestazioni con emissioni di NOx inferiori rispetto ai bruciatori a tiraggio naturale. I bruciatori a tiraggio forzato sono comunemente utilizzati nelle caldaie e nelle apparecchiature a combustione che richiedono un elevato rilascio di calore, flessibilità nella velocità di combustione, emissioni molto basse, un ampio campo di regolazione e controlli più precisi del rapporto aria/combustibile.
La metodologia CFD sviluppata per questo progetto è stata concepita per raggiungere i seguenti obiettivi:
1.) Utilizzare le funzionalità geometriche e di mesh di un codice commerciale per modellare le geometrie effettive dei bruciatori e dei forni,
2.) Utilizzare meccanismi cinetici chimici dettagliati, almeno in forma ridotta,
3.) Essere in grado di modificare i modelli cinetici in modo rapido e semplice,
4.) Prevedere più di due flussi indipendenti di combustibile e ossidante in reazione,
5.) Modellare gli effetti della radiazione termica dei mezzi partecipanti,
6.) Essere in grado di modellare gli effetti cinetici chimici dovuti alle variazioni relative al bruciatore e al forno,
7.) Eseguire una simulazione di funzionamento del forno con un solo bruciatore in circa un giorno.
All’inizio di questo progetto, presso l’ Zeeco non esisteva una capacità CFD in grado di soddisfare tali requisiti, né, in base a un’analisi della letteratura disponibile, in nessun altro ambito del settore dei bruciatori. I modelli di combustione comunemente utilizzati nell’industria, quali quelli basati sull’equilibrio chimico, sull’Eddy Break-Up (EBU) e sui flamelet, non avrebbero soddisfatto, senza un ulteriore sviluppo, i requisiti di questo progetto. I codici di ricerca universitari utilizzano modelli chimici sofisticati insieme a modelli di simulazione a grandi vortici (LES), ma non sono progettati per riprodurre le geometrie dettagliate dei bruciatori e dei forni, specialmente con progetti di bruciatori in rapida evoluzione. Sebbene i modelli LES siano importanti per comprendere i meccanismi alla base delle caratteristiche di combustione, quali la stabilità della fiamma o lo spegnimento improvviso, essi sono computazionalmente onerosi e non consentirebbero di ottenere i tempi di elaborazione necessari per la validazione del modello e per fornire input alla progettazione e al collaudo dei bruciatori.
Un esempio di effetti cinetici che non vengono colti dai modelli più semplici è illustrato nella Figura 2.La chimica della DeNOx termica, nota anche come “ricombustione dell’ammoniaca” o Riduzione Selettiva Non Catalitica (SNCR), è chiaramente visibile quando l’NO reagisce conl’NH₃ per formareN₂. Il volume blu indica la distruzione dell’NO sul lato della fiamma ricco di combustibile, mentre il volume giallo indica la produzione di NO sul lato povero. La riduzione di NO osservata nella zona blu è caratteristica della combustione dell’ammoniaca e non si verifica nella combustione di soli idrocarburi. Questocomportamento di DeNOx , considerato nella sua portata complessiva, è molto sensibile alle caratteristiche geometriche del bruciatore sottostante. Per configurazioni diverse del bruciatore, potrebbe non essere così evidente.
Figura 2: Isosuperfici del tasso di formazione di NO = 0,05kg/m³ sec (giallo) e del tasso di distruzione di NO = 0,05kg/m³ sec ( blu).
La figura 3 mostra una superficie di fiamma visibile simulata, approssimata da un’isosuperficie con temperatura di 1300 K, insieme al flusso radiativo verso i tubi di raffreddamento, calcolato con il metodo DO/WSGG (Discrete Ordinates/Weighted Sum of Gray Gases). Il metodo DO/WSGG, uno dei pilastri delle simulazioni di combustione industriale, è pienamente compatibile con la metodologia attuale.
Figura 3: Isosuperficie di T = 1300 K e flusso termico radiativo calcolato nel tubo.
Mentre i modelli di bruciatori singoli possono essere valutati sperimentalmente, la CFD fornisce ulteriori informazioni sulla struttura del flusso, sulla miscelazione e sui percorsi di reazione localizzati che sono difficili o impossibili da misurare. In questo secondo anno, la CFD è stata utilizzata sia come strumento predittivo che diagnostico per interpretare le osservazioni sperimentali. Questo lavoro stabilisce una linea di riferimento convalidata per applicazioni future, tra cui configurazioni di bruciatori più complesse, forni a più bruciatori e scenari di flessibilità estesa dei combustibili che coinvolgono ammoniaca, idrogeno e altri combustibili.
La figura 4 mostra un'analisi dei percorsi di reazione all'interno di una singola cella CFD situata nella zona di reazione. Si osserva che sono attivi i complessi percorsi chimici che portano al consumo di ammoniaca e sia alla produzione che alla distruzione di NO. Ciò dimostra il livello di dettaglio cinetico-chimico incluso in queste simulazioni.
Figura 4: Analisi del percorso cinetico chimico per una singola cella CFD nella zona di reazione.
La figura 5 mostra i risultati relativi al bruciatore Rev 18. Entrambi i modelli utilizzano il meccanismo ridotto basato sulmeccanismo dettagliatoCRECK². Questo meccanismo ridotto è stato ampliato rispetto al modello a 50 specie utilizzato nel primo anno di lavoro per migliorare la previsione di importanti inquinantiquali NO₂ eN₂O. Il modello CFD fornisce buone previsioni relative all’NO e offre risultati ragionevoli nella previsione dell’insorgenza di NH₃ man mano che la frazione di ammoniaca nel combustibile aumenta in una configurazione a tiraggio forzato, come mostrato nella Figura 5. Le previsioni relative aN₂OeNO₂ risultano elevate per il modello CFD, ma le tendenze sono previste molto bene.
Figura 5: Risultati della simulazione CFD confrontati con le misurazioni FTIR in un bruciatore a tiraggio forzato alimentato con una miscela di ammoniaca e gas naturale.
I risultati di questa validazione CFD hanno dimostrato che il CFD è in grado di riprodurre sia la turbolenza sia le interazioni cinetiche chimiche con un’accuratezza sufficiente da poter essere utilizzato come strumento predittivo per orientare lo sviluppo dei bruciatori.
Dopo aver completato lo sviluppo e la validazione della metodologia CFD per la modellizzazione dei bruciatori sia a tiraggio naturale che a tiraggio forzato, sono stati condotti studi CFD per valutare i potenziali benefici in termini di emissioni e stabilità della fiamma derivanti da una serie di condizioni operative e modifiche alla geometria dei bruciatori. Sulla base del potenziale di riduzione delle emissioni e dello scorrimento evidenziato dalle simulazioni CFD, sono state testate diverse modifiche ai bruciatori e ottimizzazioni delle condizioni operative, in particolare l’aumento della temperatura del preriscaldatore d’aria (APH). Alcuni risultati selezionati sono presentati nella sezione seguente.
La tabella 2 riassume le misurazioni delle emissioni raccolte nel corso del programma di sviluppo del bruciatore. Per ciascuna versione di prova, i parametri operativi chiave — tra cui la velocità di rilascio di calore,la temperatura dell’aria di combustione e la percentuale massima di combustione dell’ammoniaca—sono elencati insieme ai dati grezzi sulle emissionidi NH₃ residuo, NO eN₂O. Tutte le concentrazioni riportate nella tabella 2 sono state misurate utilizzando strumentazione FTIR.
Tabella 2: Riepilogo delle misurazioni delle emissioni.
Poiché la combustione a ammoniaca comporta particolari difficoltà di misurazione, i valori di slip di NH₃ rappresentano la concentrazione massima di ammoniaca ottenibile mantenendo lo slip al di sotto dei 50 ppmv. I valori di NO e N₂O sono riportati come concentrazioni grezze e a secco. Il set di dati copre un ampio intervallo di condizioni operative, comprese le variazioni del rilascio di calore (3,4–5,0 MMBtu/h), della combustione‑(70–880°F) e la percentuale di combustione di ammoniaca (60–95%), consentendo la valutazione delle prestazioni del bruciatore nell’intero campo di funzionamento previsto.
La figura 6 illustra le misurazioni delle emissioni relative al bruciatore Rev 25B, che ha fornito i risultati migliori.
Figura 6: Misurazioni delle emissioni per la Rev 25B, che ha fornito i risultati migliori.
È stata condotta una serie di misurazioni FTIR a un rilascio di calore costante di 3,40 MMBtu/ora, variando la composizione del combustibile dal 100% di idrogeno al 100% di ammoniaca. L’obiettivo di questa sequenza di prove era caratterizzare in che modo aumenti incrementali del contenuto di ammoniaca influenzano il comportamento delle emissioni — in particolare la fuoriuscita di NH₃, la formazione di NO e di N₂O — a parità di altre condizioni operative. I risultati mostrano tendenze chiare e sistematiche che riflettono la chimica di combustione sottostante delle miscele di idrogeno e ammoniaca.
Lo scorrimento di NH₃ è rimasto trascurabile in tutte le miscele fino a quando l’ammoniaca non è diventata la componente dominante del combustibile. Per le miscele con contenuto di NH₃ fino al 95%, i valori di slip erano estremamente bassi (0–9 ppm), indicando un’efficace combustione completa e una forte miscelazione in queste condizioni. Tuttavia, al 100% di ammoniaca, lo slip è aumentato bruscamente fino a 1207 ppm, dimostrando la difficoltà di ottenere una conversione completa in assenza di idrogeno che aumenti la velocità della fiamma e la cinetica di reazione. Questo comportamento sottolinea il ruolo stabilizzante dell’aggiunta di idrogeno nella combustione dell’ammoniaca. Il livello massimo di emissionidi NH₃ è stato di 9 ppmv, con uno slipdi NH₃ inferiore a 50 ppmv con una miscela di combustibile di prova composta dal 95%di NH₃ e dal 5%di H₂. Effettuare prove con miscele al 96%di NH₃ e al 4%di H₂, al 97%di NH₃ e al 3%di H₂ e al 98%di NH₃ e al 2%di H₂ avrebbe aiutato a generare una curva per determinare il punto in cui l’NH₃ superasse effettivamente il livello di 50 ppmv.
Le emissioni di NO hanno mostrato una forte dipendenza dalla concentrazione di ammoniaca. Con il 100% di idrogeno, il NO è stato misurato a 107 ppm, il che riflette i valori tipici dei processi termici‑in una fiamma di idrogeno. Con l’aumentare del contenuto di ammoniaca, il NO è aumentato in modo significativo, raggiungendo un picco di 644 ppm per il 60% di NH₃ . Tale aumento corrisponde all’introduzione di combustibile-legato al combustibile, che viene facilmente ossidato in NO in presenza di elevate‑temperatura.
È interessante notare che i livelli di NO sono diminuiti con frazioni di ammoniaca più elevate, scendendo a 197 ppm con il 90% di NH₃ e a 96 ppm con il 100% di NH₃. Questo calo suggerisce che, man mano che l’ammoniaca diventa il combustibile dominante, le temperature della fiamma più basse e la cinetica più lenta inibiscono la formazione di NO nonostante l’elevato contenuto di azoto. Il risultato è un non-monotonico dell’NO: in aumento con NH₃ , per poi diminuire man mano che la fiamma passa all’ammoniaca‑.
Il valore ottimale delle emissioni di NO pari a 143 ppmv, con uno slipdi NH3 inferiore a 50 ppmv, si è registrato con una miscela composta dal 95%di NH3 e dal 5%di H2.
Le emissioni di N₂O sono rimaste vicine allo zero per miscele con contenuto di NH₃ fino al 60%, in linea con la rapida decomposizione dell’N₂O alle elevate temperature della fiamma. Con l’ulteriore aumento della concentrazione di ammoniaca, le emissioni di N₂O hanno iniziato a crescere, raggiungendo valori compresi tra 10 e 18 ppm per le miscele con contenuto di NH₃ tra il 90% e il 95% e 38 ppm al 100% di NH₃. Questa tendenza riflette il passaggio a un processo più freddo e più lento–, in cui l’azoto intermedio‑come N₂O, sono più stabili. Il livello più elevato di N₂O è stato di 18 ppmv, con uno slipdi NH₃ inferiore a 50 ppmv, composto per il 95% daNH₃ e per il 5% daH₂.
Il comportamento combinato di NO e N₂O illustra il classico compromesso nella combustione dell'ammoniaca:
Hotter, idrogeno‑fiamme ricche di idrogeno → elevati livelli di NO, livelli trascurabili di N₂O
Refrigeratore ad ammoniaca‑fiamme ricche di ammoniaca → minori emissioni di NO, maggiore N₂O
Il carburante-variazione della miscela evidenzia la complessa interazione tra temperatura della fiamma, cinetica di reazione e azoto‑nei processi di produzione dell’idrogeno–ammoniaca:
Idrogeno‑generano temperature di fiamma elevate, con conseguente produzione elevata di NO e trascurabile di N₂O trascurabile e la completa combustione dell’ammoniaca.
Le miscele intermedie (40–60% di NH₃) presentano le emissioni di NO più elevate, determinate sia da fattori termici che dal combustibile–legato al combustibile.
Ammoniaca‑riducono la formazione di NO ma aumentano l'N₂O e NH₃ a causa delle temperature della fiamma più basse e di una cinetica più lenta.
Pl'uL'ammoniaca rappresenta la sfida maggiore, con un elevato scorrimento e livelli elevati di N₂O nonostante un contenuto di N relativamente bassoO.
Questi risultati evidenziano l'importanza del carburante‑miscela di combustibile, della progettazione del bruciatore e della temperatura‑per bilanciare NO, N₂O e NH₃ durante la transizione dall’idrogeno‑ad ammoniaca‑dominante.
Figura 7: Bruciatore “ FREE JET ” da 3,4 MM Btu/hr con APH a 885F alimentato al 100% con ammoniaca.
Figura 8: Caldaia “ FREE JET ” con una potenza di 3,4 MM Btu/hr e una temperatura APH di 885F, alimentata con una miscela composta per il 95% da ammoniaca e per il 5% da idrogeno.
La figura 9 illustra gli intervalli di emissioni in presenza di diverse temperature APH con Rev 25A&B:
Figura 9: Intervalli di emissioni in presenza di diverse temperature APH con Rev 25A e B.
I test sulle emissioni sono stati condotti a un rilascio di calore costante di 3,4 MMBtu/h con una miscela di combustibile composta per il 90% da ammoniaca e per il 10% da idrogeno, variando la temperatura dell’APH da circa 500°F a 885°F. Le misurazioni FTIR raccolte durante le revisioni 25A e 25B rivelano relazioni chiare e coerenti tra la temperatura dell’APH e la formazione di NH₃ slip, NO e N₂O.
Lo scorrimento dell’NH₃ ha mostrato una forte dipendenza inversa dalla temperatura APH. Alla temperatura più bassa testata (508 °F), lo scorrimento dell’NH₃ era estremamente elevato (oltre 7000 ppm), indicando una conversione incompleta del combustibile in condizioni di combustione più fredde. Con l’aumentare della temperatura dell’APH, lo slip è diminuito drasticamente, scendendo a 23 ppm a 784 °F e raggiungendo 1 ppm a 885 °F. Questa tendenza riflette il miglioramento della cinetica di reazione e una maggiore combustione dell’ammoniaca non reagita a temperature elevate. I risultati dimostrano che il mantenimento di una combustione sufficientemente elevata‑è essenziale per ridurre al minimo lo slip di ammoniaca in condizioni di alta‑NH₃ .
Le emissioni di NO sono aumentate costantemente con l'aumentare della temperatura dell'APH, in linea con la temperatura‑dipendente dalla temperatura della conversione del combustibile‑legato al combustibile. A 508°F, il NO è stato misurato a 34 ppm, aumentando a 99 ppm a 784°F e raggiungendo i 197 ppm a 885°F. Questo aumento monotono indica che a un'altitudine maggiore-favoriscono un’ossidazione più completa dell’ammoniaca‑specie azotate derivate dall’ammoniaca, portando a una maggiore formazione di NO. Questa tendenza è in linea con quanto già stabilito per l’ammoniaca‑, in cui le temperature termiche e del combustibile‑legato al combustibile si intensificano con l’aumentare della temperatura.
Le emissioni di N₂O hanno raggiunto il picco previsto‑e‑calo caratteristico della combustione dell’ammoniaca. Alla temperatura APH più bassa (508°F), l’N₂O era relativamente elevato, pari a 96 ppm, a indicare la formazione di composti azotati intermedi-in condizioni più fredde. Con l’aumentare della temperatura, il N₂O sono diminuiti in modo significativo, scendendo a 32 ppm a 784°F e a 10 ppm a 885°F. Questo comportamento è coerente con la decomposizione termica dell’N₂O a temperature più elevate, dove i percorsi di reazione si spostano verso la formazione di NO.
Le concentrazioni di NO₂ sono rimaste vicine allo zero in tutti i punti di rilevamento, indicando che quasi tutto l’azoto ossidato era presente sotto forma di NO o N₂O. Ciò è tipico in presenza di-alta temperatura, combustibile‑, in cui l’NO₂ è cineticamente soppressa.
I risultati complessivi evidenziano gli effetti contrastanti della temperatura sulla combustione dell'ammoniaca:
Una bassa temperatura dell'APH comporta un elevato slip di NH₃, bassi livelli di NO e livelli elevati di N₂O.
Itemperature intermedie riducono lo slittamento e l'N₂O, aumentando al contempo l'NO.
HLeLe temperature elevate riducono al minimo lo scorrimento e l’N₂O, ma producono i livelli più elevati di NO.
Temperature APH più elevate comportano:
Maggiore formazione di NO.
NH ridotto3 .
RN ridotto2O.
Questi risultati evidenziano l’importanza di ottimizzare la progettazione dei bruciatori e le condizioni operative per trovare un equilibrio tra la combustione completa dell’ammoniaca, la formazione di NO e la riduzione delle emissioni di N₂O. I dati forniscono una solida base per un ulteriore perfezionamento delle strategie, dei concetti di staging e della temperatura‑per soddisfare gli obiettivi del programma’.
CONCLUSIONE
Il programma di sviluppo e collaudo ha dimostrato che l’ammoniaca può essere utilizzata con successo come combustibile in grado di ridurre le emissioni di CO₂ nelle applicazioni di riscaldamento industriale, se abbinata a un bruciatore progettato specificamente per le sue caratteristiche di combustione uniche. Grazie a miglioramenti iterativi nella progettazione, a test approfonditi e ai progressi nella modellazione CFD, il bruciatore GLSF modificato FREE JET ha raggiunto un funzionamento stabile in un’ampia gamma di miscele di ammoniaca e idrogeno e in diverse condizioni di preriscaldamento dell’aria. I risultati dei test dimostrano che, con un’adeguata progettazione del bruciatore e una corretta gestione della temperatura, è possibile soddisfare i parametri prestazionali previsti dal programma per quanto riguarda lo slip di NH₃ e le emissioni di NOx e N₂O in condizioni ottimizzate.
Il lavoro combinato di sperimentazione e modellizzazione conferma che sia i test fisici che la CFD sono strumenti essenziali per prevedere le prestazioni della combustione dell’ammoniaca. Il continuo perfezionamento della geometria del bruciatore, della distribuzione del combustibile e delle strategie operative può contribuire a sostenere la transizione dal prototipo a un bruciatore alimentato ad ammoniaca pronto per il mercato, aprendo la strada a riduzioni significative delle emissioni industriali di CO₂.