ETD

• ammonia
• ammoniaca
• CRN
• gas turbine
• hydrogen
• idrogeno
• turbine a gas

Combustion of ammonia-hydrogen (NH3/H2) blends is a promising solution for the decarbonization of gas turbines, but remains limited by the formation of nitrogen oxides (NOx). This work develops a hybrid LES-CRN approach to analyse the kinetic pathways of NOx formation in a high-pressure experimental combustor (HPGSB, Cardiff University), across three operating conditions (1.1, 3 and 5 bar).
Starting from time-averaged LES fields, a Chemical Reactor Network was built (Pilot, Main, recirculation zones, plug-flow reactor), validated by comparing ten kinetic mechanisms and selecting as reference the one with the most stable error across the three pressures; the robustness of this choice with respect to the uncertainty in the network construction has been verified through a dedicated sensitivity analysis.
The original contribution is a set of tools that classify reactions by kinetic pathway (Thermal, Fuel-N, NNH, N2O), reconstruct the nitrogen species balance reactor by reactor, and quantify the percentage contribution of the molecular nitrogen pathways. Applied systematically across mechanism and pressure, these tools show, among the preliminary results, that mechanisms with similar NOx can follow different kinetic pathways, and vice versa; a topic further examined in the body of the thesis.

La combustione di miscele ammoniaca-idrogeno (NH3/H2) è una soluzione promettente per la decarbonizzazione delle turbine a gas, ma resta limitata dalla formazione di ossidi di azoto (NOx). Il lavoro sviluppa un approccio ibrido LES-CRN per analizzare i percorsi cinetici di formazione degli NOx in un combustore sperimentale ad alta pressione (HPGSB, Cardiff University), su tre condizioni operative (1.1, 3 e 5 bar).
A partire dai campi mediati delle simulazioni LES è stata costruita una rete di reattori chimici (Pilot, Main, zone di ricircolo, PFR), validata confrontando dieci meccanismi cinetici e selezionando come riferimento quello con errore più stabile sulle tre pressioni; la robustezza di tale scelta rispetto all'incertezza di costruzione della rete è stata verificata con un'analisi di sensitività dedicata.
Il contributo originale è un insieme di strumenti che classificano le reazioni per pathway cinetico (Thermal, Fuel-N, NNH, N2O), ricostruiscono il bilancio delle specie azotate reattore per reattore e quantificano il contributo percentuale dei percorsi molecolari dell'azoto. Applicati sistematicamente a meccanismo e pressione, questi strumenti mostrano, tra i risultati preliminari, che meccanismi con NOx simile possono seguire percorsi cinetici diversi, e viceversa; tema approfondito nel corpo della tesi.