program and abstracts - smartcats · 2019. 5. 18. · modeling of ammonia and ammonia/hydrogen...

31
WORKSHOP Ammonia for Fueling Future Energy Lisboa, April 1314, 2019 PROGRAMME and ABSTRACTS

Upload: others

Post on 23-Jan-2021

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

 

 

 

 

WORKSHOP 

Ammonia for Fueling Future Energy 

  

Lisboa, April 13‐14, 2019  

 

PROGRAMME and ABSTRACTS    

Page 2: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

 

   

Page 3: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

Programme 

Time  Saturday, April 13th  Sunday, April 14th 

8:30‐9:00  Registration  Registration 

9:00‐9:15  Welcome 

9:15‐10:00  Invited lecture 

Bill David, University of Oxford 

Invited lecture 

George Dimopoulos, DNV GL Hellas 

10:00‐10:45  Invited lecture 

John Bøgild, Hansen Haldor Topsoe

Invited lecture 

Steve Crolius, President of Ammonia 

Association 

10:45‐11:30  Coffee break 

Poster session 

Coffee break 

Poster session 

11:30‐13:00  Roundtable: Ammonia synthesis 

Chair: Roger Cracknell, Shell 

Roundtable: Ammonia energy 

demonstrations 

Chair: Ravi Fernandes, Physikalisch‐

Technische Bundesanstalt 

13:00‐14:00  Lunch break  Lunch break 

14:00‐14:45  Invited lecture 

Peter Glarborg, Technical 

University of Denmark 

 

14:45‐15:30  Invited lecture 

Christine Rousselle, Vice‐Chair of 

IEA Combustion TCP 

15:30‐16:15  Coffee break 

Poster session 

16:15‐17:45  Roundtable: Ammonia 

combustion 

Chair: G. Skevis, CPERI‐CERTH 

20:00  Networking event 

   

Page 4: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

Invited lecturers 

Saturday 13th, 9:15 

Bill David, University of Oxford & ISIS Neutron and Muon Source, Rutherford 

Appleton Laboratory 

Brown, blue and green ammonia: creating a distributed zero‐carbon chemical 

storage infrastructure 

 

Saturday 13th, 10:00 

John Bøgild, Hansen Haldor Topsoe 

Sustainable ammonia production via electrolysis 

 

Saturday 13th, 14:00 

Peter Glarborg, DTU, Technical University of Denmark 

Challenges in NH3 oxidation kinetics 

 

Saturday 13th, 14:45 

Christine Rousselle, Vice‐Chair of IEA Combustion TCP 

Ammonia as fuel for engine transportation: an utopia? 

 

Sunday 14th, 9:15 

George Dimopoulos, DNV GL Hellas 

Ammonia as a marine fuel: marine engineering, safety and regulatory 

considerations 

 

Sunday 14th, 10:00 

Steve Crolius, President of Ammonia Association 

Prospects for mid‐term commercialization of ammonia combustion technologies 

   

Page 5: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

Posters 

P1  Reduced chemical kinetics for CDF studies of ammonia‐hydrogen blends in gas turbine swirl combustors Agustin Valera‐Medina, Rui Li, Guoqiang He, Fei Qin, Alexander A. Konnov 

P2  Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation Krishna Prasad Shrestha, Lars Seidel, Thomas Zeuch, Fabian Mauss 

P3  Experimental and kinetic modelling study of laminar burning velocities of NH3/air and NH3/H2/air premixed flames Xinlu Han, Zhihua Wang, Mário Costa, Zhiwei Sun, Yong He, Kefa Cen 

P4  Laminar burning velocities of premixed methane/ammonia/air flames at standard conditions Marco Lubrano Lavadera, Marton Kovacs, Alexander A. Konnov 

P5  A wide‐range kinetic modeling study of low‐temperature ammonia oxidation and its interaction with hydrogen A. Stagni, E. Vantaggiato, Y. Song, O. Herbinet, F. Battin‐Leclerc, T. Faravelli 

P6  Study of the oxidation of ammonia as an alternative to carbon‐based fuels María Abián, Álvaro de Goñi, Beatriz Muñoz, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta 

P7  Evaluation of gas turbine concepts for ammonia combustion R.C. Rocha, M. Costa, X.S. Bai 

P8  Ignition delay times of diluted mixtures of ammonia/methane at elevated pressures C.F. Ramos, B. Shu, R.X. Fernandes, M. Costa 

P9  Measurements in absolute concentration OF NO and NH by using laser based diagnostics in flames N. Lamoureux, P. Desgroux 

P10  Conversion of ammonia to hydrogen on quartz surface I. Rahinov, S. Cheskis 

P11  Experimental studies for model validation of NH3 combustion C. Brackmann, M. Aldén, A.A. Konnov 

P12  Investigation of NH3 and NH3/CH4 MILD combustion in a cyclonic burner G. Sorrentino, P. Sabia, P. Bozza, R. Ragucci, M. de Joannon 

P13  Investigation on heterogeneous surface effects on NH3/O2 highly diluted oxidation P. Sabia, M. V. Manna, R. Ragucci, M. de Joannon 

P14  Experimental and numerical study on ammonia oxidation in a JSFR P. Sabia, M. V. Manna, R. Ragucci, M. de Joannon 

P15  Ammonia chemical kinetics improvement with evolutionary algorithms using an efficient optimization tool A. Bertolino, M. Fürst, A. Stagni, A. Frassoldati, A. Parente 

P16  Fuel injection and combustion simulations of ammonia and ammonia/methane/hydrogen mixtures in constant volume chambers Charalambos A. Chasos 

P17  Collisional energy transfer in nitrogen‐containing flames György Lendvay 

P18  Investigation of reaction mechanisms of ammonia combustion 

G. Juhász, I. Gy. Zsély, T. Turányi 

P19  Membrane technology for ammonia exploitation 

D. Koutsonikolas, G. Pantoleontos, A. Asimakopoulou, G. Karagiannakis, G. Skevis 

   

Page 6: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

                        

Abstracts 

   

Page 7: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

Reduced chemical kinetics for CDF studies of ammonia‐hydrogen blends in gas turbine swirl combustors 

 

Agustin Valera‐Medina1, Rui Li2, Guoqiang He2, Fei Qin2, Alexander A. Konnov3,* 

 1Gas Turbine Research Centre, Cardiff University, Wales, United Kingdom 

2Northwestern Polytechnical University, Xi'an Shaanxi, PR China 3Division of Combustion Physics, Lund University, Lund, Sweden 

*[email protected]  Ammonia has been widely used  in  various  applications over  the  years.  From  internal  combustion engines during the Second World War to modern developments, ammonia has always presented a unique  opportunity  to  store  hydrogen  for  power  and  heat  generation.  Ammonia  is  currently expanding  further, with  companies and  institutions  such as  the  International Energy Agency  (IEA), International  Chamber  of  Shipping  (ICS),  Committee  on  Climate  Change  (CCC),  Energy  Transitions Commission  (ETC),  Clean  Air  Task  Force  (CATF)  and  the  Electric  Power  Research  Institute  (EPRI) recognizing the necessity of ammonia to supplement hydrogen to  large power production systems, heavy trucks and long distance transportation vehicles (i.e. marine industry). However, there is still a considerable gap of understanding to employ ammonia for fuelling power production system whilst keeping low NOx profiles. Complex chemical reactions combined with 3‐dimensional hydrodynamics create scenarios difficult to solve for the production of clean power at high combustion efficiencies. Therefore,  this work presents  the  first set of results obtained  from a CFD‐RANS/LES campaign  that seeks to evaluate the complexity of the combustion process  in swirling flows,  i.e. representative to industrial equipment, for future validation with experimental trials. The final aim of this research is to improve the  understanding  of  the  impact  of  various  species  that  are  the  product  of  ammonia‐hydrogen combustion across  representative  industrial combustors,  thus  further  implementation of novel injection methodologies in larger scale devices can be achieved.    

Page 8: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation  

Krishna Prasad Shrestha1,*, Lars Seidel2, Thomas Zeuch3, Fabian Mauss1  

1Thermodynamics and Thermal Process Engineering, Brandenburg University of Technology, Cottbus, Germany 

2LOGE Deutschland GmbH, Cottbus, Germany 3Institut für Physikalische Chemie, Georg‐August‐Universität Göttingen, Göttingen, Germany 

*shrestha@b‐tu.de  

Alternative fuels have been desired to decrease the dependency from fossil fuels and the reduction of transport costs, but today’s main concerns are the carbon emissions being emitted. The search for ammonia (NH3) as alternative fuel paused for a while after the 1960s but is becoming an interesting area  of  research  again.  Ammonia  is  recognized  as  carbon‐free  fuel  and  also  as  hydrogen carrier/storage  [1] which  has  a  high  content  of  hydrogen  atoms  per  unit  of  volume.  The  use  of ammonia as dual fuel in a modified spark ignition (SI) engine and compression ignition (CI) engine has already  been  performed  at  research  level  [2].  Despite  several  positive  points  of  ammonia  as mentioned  by  Zamfirescu  &  Dincer  [3]  it  also  presents  some  drawbacks  when  used  in  internal combustion  engines  as  fuel:  low  flame  speed,  high  auto‐ignition  temperature,  high  heat  of vaporization, narrow  flammability  limits  (16‐25 % by  volume  in  air) and  toxicity. After  recognizing these  drawbacks  and  difficulties  to  use  ammonia  as mono‐fuel  in  engines,  researchers  are  now moving  towards  the dual  fuel approach, ammonia combined with H2, conventional hydrocarbon or bio‐fuels. As pointed out  in  [10,15] and  finding  from  this  study, published models are not able  to predict  the basic  combustion  features  such as  laminar  flame  speed and  the  ignition delay  time of NH3/H2 blends correctly. It was found that the models could not predict the NH3/H2 kinetics correctly when a higher amount of H2 concentration is present in the fuel blend. This work is an ongoing effort to  establish  reliable NH3  and NH3/H2  kinetics.  The main  objective  of  this  study  is  to  improve  our published kinetic model [16] to predict the NH3 and NH3/H2 kinetics correctly which was developed for  NH3/H2/CO/CH4  oxidation  and  NOx  chemistry  interaction.  Figure  1  shows  the  laminar  burning velocity of NH3 – air (left) and NH3/H2 – air (right) at 1 atm and 298 K. Figure 2 shows ignition delay time of NH3/O2/Ar at  = 1.0 and various pressure in shock tube against the model prediction. It can be observed that the model predicts the experimental trend correctly and is in good agreement. The improved model can be used to study the kinetics of NH3/H2 interaction as well as flame propagation and auto‐ignition in SI engine. Further, the improved model can also be used to predict NOx emission in an internal combustion engine.   

 Figure 1: Comparions between experimental data and model predictions, laminar flame speed for NH3‐air (left) 

and NH3/H2‐air (right). Symbols: experimental data from [4–14], lines: model predictions. 

Page 9: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

 Figure 2: Comparison between experimental data and model predictions of NH3/O2/Ar ignition delay time at 

 = 1.0. Symbols: experimental data from Mathieu et al. [15], Lines: model predictions. 

 [1]  W. Wang, J.M. Herreros, A. Tsolakis, A.P.E. York, Int. J. Hydrogen Energy 38 (2013) 9907‐9917. [2]  C.S. Mørch, A. Bjerre, M.P. Gøttrup, S.C. Sorenson, J. Schramm, Fuel 90 (2011) 854‐864. [3]  C. Zamfirescu, I. Dincer, Fuel Process. Technol. 90 (2009) 729‐737. [4]  T. Jabbour, D.F. Clodic, ASHRAE Trans. 110 (2004) 522‐533. [5]  P.D. Ronney, Combust. Sci. Technol. 59 (1988) 123‐141. [6]  P. Kumar, T.R. Meyer, Fuel. 108 (2013) 166‐176. [7]  K. Takizawa, A. Takahashi, K. Tokuhashi, S. Kondo, A. Sekiya, J. Hazard. Mater. 155 (2008) 144‐

152. [8]  U.J.  Pfahl, M.C.  Ross,  J.E.  Shepherd,  K.O.  Pasamehmetoglu,  C.  Unal,  Combust.  Flame  123 

(2000) 140‐158. [9]  V.F. Zakaznov, L.A. Kursheva, Z.I. Fedina, Combust. Explos. Shock Waves 14 (1978) 710‐713. [10]  A. Hayakawa, T. Goto, R. Mimoto, Y. Arakawa, T. Kudo, H. Kobayashi, Fuel 159 (2015) 98‐106. [11]  A.  Ichikawa,  A.  Hayakawa,  Y.  Kitagawa,  K.D.  Kunkuma  Amila  Somarathne,  T.  Kudo,  H. 

Kobayashi, Int. J. Hydrogen Energy 40 (2015) 9570‐9578. [12]  Y. Li, M. Bi, B. Li, W. Gao, Combust. Sci. Technol. 190 (2018) 1804‐1816. [13]  J.H. Lee, S.I. Lee, O.C. Kwon, Int. J. Hydrogen Energy 35 (2010) 11332‐11341. [14]  J. Li, H. Huang, N. Kobayashi, Z. He, Y. Nagai, Int. J. Energy Res. 38 (2014) 1214‐1223. [15]  O. Mathieu, E.L. Petersen, Combust. Flame 162 (2015) 554‐570. [16]  K.P. Shrestha, L. Seidel, T. Zeuch, F. Mauss, Energ. Fuels 32 (2018) 10202‐10217.    

Page 10: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

10 

Experimental and kinetic modelling study of laminar burning velocities of NH3/air and NH3/H2/air premixed flames 

 Xinlu Han1, Zhihua Wang1,*, Mário Costa2, Zhiwei Sun3, Yong He1, Kefa Cen1 

 1State Key laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China. 2IDMEC, Mechanical Engineering Department, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, 

Lisboa, Portugal 3School of Mechanical Engineering and Centre for Energy Technology, The University of Adelaide, 

Adelaide, SA 5005, Australia *[email protected] 

Ammonia  (NH3)  is a promising energy carrier  to store and  transport  renewable hydrogen  (H2)  that can be generated using, e.g., wind and solar energy. Direct combustion of NH3 is one of the possible methods to utilize the energy by the end users. To understand the combustion characteristics of NH3 as a fuel, the laminar burning velocities of NH3/air and NH3/H2/air premixed flames were investigated experimentally using the heat flux method. Detailed measurements are reported for a wide range of equivalence  ratios and blending  ratios. Kinetic modeling was also performed using  three  chemical kinetic mechanisms available in the literature; specifically, the GRI‐Mech 3.0 mechanism [1] and two recent  mechanisms:  the  Okafor  et  al.  mechanism  [2]  and  the  San  Diego  mechanism  [3].  The experimental  data  can  be  used  for  kinetic mechanism  validation  and  development, which will  be benefit for the ammonia combustion technology development. 

 

Figure  1:  Present  experiment  data  of  NH3/air burning  velocity  comparing  with  experimental results from literature (Takizawa et al [4], Ronney [5], Pfahl et al [6], Jabbour & Clodic [7], Hayakawa et  al  [8],  Ichikawa  et  al  [9])  and  numerical simulations. 

Figure  2:  Present  experiment    data  of NH3/H2/air  mixture  at  various    and  1.0 comparing  with  experimental  results  from literature (Kumar et al [10], Li et al [11], Lee et al [12], Ichikawa et al [9]) and numerical simulations. 

Page 11: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

11 

Figure  3:  Experiment    data  of  NH3/H2/air mixture  at  0.15, 0.25, 0.35, 0.4  comparing 

with numerical simulations. 

Figure 4: Normalized sensitivity coefficient of SL of NH3 + H2 + air flames at  = 0.4. 

 [1]  G.P.  Smith,  D.M.  Golden, M.  Frenklach,  N.W.  Moriarty,  B.  Eiteneer, M.  Goldenberg,  C.T. 

Bowman,  R.K.  Hanson,  S.  Song,  W.  Gardiner  Jr,  GRI‐Mech  3.0,  1999, combustion.berkeley.edu/gri_mech (2011). 

[2]  E.C. Okafor, Y. Naito, S. Colson, A. Ichikawa, T. Kudo, A. Hayakawa, H. Kobayashi, Combustion and Flame, 187 (2018) 185‐198. 

[3]  U. Mechanism,  Chemical‐kinetic mechanisms  for  combustion  applications, Mechanical  and Aerospace  Engineering  (Combustion  Research),  University  of  California  at  San Diego,http://web.eng.ucsd.edu/mae/groups/combustion/mechanism.html (2014). 

[4]  K. Takizawa, A. Takahashi, K. Tokuhashi, S. Kondo, A. Sekiya, Journal of Hazardous Materials, 155 (2008) 144‐152. 

[5]  P.D. Ronney, Combustion Science and Technology, 59 (1988) 123‐141. [6]  U.  Pfahl, M.  Ross,  J.  Shepherd,  K.  Pasamehmetoglu,  C.  Unal,  Combustion  and  Flame,  123 

(2000) 140‐158. [7]  T. Jabbour, D.F. Clodic, ASHRAE Transactions, 110 (2004) 522. [8]  A. Hayakawa, T. Goto, R. Mimoto, Y. Arakawa, T. Kudo, H. Kobayashi, Fuel, 159 (2015) 98‐106. [9]  A.  Ichikawa,  A.  Hayakawa,  Y.  Kitagawa,  K.K.A.  Somarathne,  T.  Kudo,  H.  Kobayashi,  Int  J 

Hydrogen Energ, 40 (2015) 9570‐9578. [10]  P. Kumar, T.R. Meyer, Fuel, 108 (2013) 166‐176. [11]  J.  Li, H. Huang, N. Kobayashi,  Z. He,  Y. Nagai,  International  Journal of  Energy Research, 38 

(2014) 1214‐1223. [12]  J. Lee, J. Kim, J. Park, O. Kwon, Int J Hydrogen Energ, 35 (2010) 1054‐1064.    

Page 12: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

12 

Laminar burning velocities of premixed methane/ammonia/air flames at standard conditions 

 

Marco Lubrano Lavadera1,*, Marton Kovacs2, Alexander A. Konnov1 

 1Division of Combustion Physics, Lund University, SE‐22100, Lund, Sweden 

2Institute of Chemistry, Eötvös Loránd University (ELTE), Budapest, Hungary *[email protected] 

 Possible means of employing ammonia as a fuel in practical applications include the use of mixtures of ammonia and other fuels such as methane. In order to develop combustors for ammonia and  its blends with other  fuels,  the availability of  chemical kinetic mechanisms  that accurately model  the burning velocity of these mixtures are very relevant. In the present work, laminar burning velocities of premixed methane/ammonia/air mixtures were experimentally measured in a heat flux burner at a mixture temperature of 298 K and atmospheric pressure. Ammonia molar fraction  in the fuel was varied  from 0  to 0.6 while  the equivalence  ratio was  varied  from 0.7  to 1.4. The  laminar burning velocity significantly decreases with increasing the percentage of ammonia in the fuel mixture with a non‐linear trend that strongly depends on the equivalence ratio. A comparison of experimental and computational  data  using  existing  comprehensive  detailed  chemical  kinetic mechanisms was  also conducted  and  discussed.  The  numerical  analysis  showed  that  the  recently  updated  kinetic mechanisms  “Glarborg‐2018”,  “Okafor‐2018”  and  “POLIMI‐2019”  satisfactorily  predict  the  laminar burning velocity.    

Page 13: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

13 

A wide‐range kinetic modeling study of low‐temperature ammonia oxidation and its interaction with hydrogen 

 A. Stagni1,*, E. Vantaggiato1, Y. Song2, O. Herbinet2, F. Battin‐Leclerc2, T. Faravelli1 

 1Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering “G. Natta”, Politecnico di Milano, 

P.zza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano, Italy 2Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, CNRS‐Université de Lorraine, 1 rue Grandville, 54000 

Nancy, France *[email protected] 

 The increasing interest on ammonia as an energy carrier has recently pushed for further experimental and theoretical research on  its combustion behavior,  in order to understand potentials and  limits of the establishment of an ammonia economy. The high energy density and easiness of transportation put  it on a better position with respect to hydrogen, so far the most studied energy vector. Yet, the low reactivity of ammonia compared to hydrocarbons makes a direct use in several applications, like internal combustion engines, very challenging. Alternatively, ammonia can be  leveraged as a source of hydrogen, such that the mixture reactivity can be regulated by setting a proper NH3/H2 ratio. From a  kinetic  point  of  view,  two major  challenges  are  introduced.  If,  on  the  one  hand,  the  hydrogen chemistry  is quite  consolidated and well‐studied, on  the other  the *kinetics of ammonia oxidation still  needs  further  experimental  and  theoretical  research,  especially  in  relation  to  its  reactivity  at lower  temperatures.  Moreover,  its  interaction  with  hydrogen  is  also  largely  unexplored  from  a modeling  point  of  view.  In  this  study,  a  detailed  kinetic model  is  developed with  the  purpose  of interpreting  the  experimental  data  which  have  been  obtained  in  the  latest  years.  The  recently available theoretical calculations for the ammonia reaction paths are leveraged and integrated within the  POLIMI  kinetic  framework,  and  its  low‐temperature  reactivity  is  explored.  In  this  regard,  the mechanism is validated against ignition delay times recently obtained in rapid compression machine and  shock  tube,  jet  stirred  reactor  and  laminar  flames.  It  turned  out  that  the  low‐temperature reactivity of NH3 is governed by the balance between termination and branching paths affecting NOx reactions with NH2 radical, and  is also depending on the formation and oxidation rates of the H2NO radical. In a second stage, the effect of hydrogen addition is evaluated for the same systems, and the use  of  flux  analysis  and  sensitivity  analysis  allowed  to  identify  the  coupling  between  the  two mechanisms.   This study has received funding from the European Union H2020 (H2020‐SPIRE‐04‐2016) under grant agreement n° 723706 and  from  the COST Action CM1404  “Chemistry of  smart energy  carriers and technologies”    

Page 14: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

14 

Study of the oxidation of ammonia as an alternative to carbon‐based fuels  

María Abián, Álvaro de Goñi, Beatriz Muñoz, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta*  

Aragón Institute of Engineering Research (I3A), Dept. of Chemical and Environmental Engineering, University of Zaragoza, Río Ebro Campus. 50018 Zaragoza, Spain. 

*[email protected]  Combustion of fossil fuels  is typically considered as one of the main responsible of the emission to the atmosphere of greenhouse CO2 gas and  important atmospheric pollutants, such as soot. To go towards a decarbonisation of energy, ammonia has been identified as a promising fuel for transport and power  applications. Besides  technical  aspects on NH3 utilization,  a  key  issue  arising  from  this process is its proper combustion in relation to the minimization of NOx and NH3 emissions in the flue gases. In this context, the present work is focused on the analysis of the ammonia conversion process and the formation of main nitrogen oxides (NO, NO2 and N2O) over a wide range of temperatures and O2  reaction  environments.  In particular,  experiments  are performed  at  atmospheric pressure  in  a laboratory flow reactor, covering the temperature range of 800 to 1400 K and for different air excess ratios (from pyrolysis to very oxidizing conditions). The analysis of the product gas  is performed by means  of  a  gas  chromatograph  equipped  with  TCD  detectors  and  continuous  infrared  NO  and chemiluminescence  NOx  analyzers.  Additionally,  the  experimental  results  are  simulated  and interpreted  in  terms  of  a  detailed  chemical‐kinetic  mechanism  [Glarborg  et  al.,  Prog.  Energy Combust. Sci. 67, 31‐68, 2018]. Reaction path and sensitivity analyses are used to delineate the NH3 oxidation  scheme.  The  software  used  for  calculations  is  Chemkin.  First  results  indicate  that  the oxygen availability is a key factor in the process. The higher the O2 level in the reaction environment, the lower the temperature necessary for the complete conversion of NH3. However, the excess of O2 favors  the  formation  of NO,  as  compared with  oxygen  reducing  conditions. Nor NO2  neither N2O were  quantified  at  any  of  the  conditions  of  the  present  work.  These  results  will  contribute  to broaden the knowledge on the environmentally friendly use of NH3 as an alternative to carbon‐based fuels in different energy applications.  The authors express  their gratitude  to Aragón Government and European Social Fund  (GPT group), and to MCIU and FEDER (Project application in the 2018 call).    

Page 15: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

15 

Evaluation of gas turbine concepts for ammonia combustion  

R.C. Rocha1,*, M. Costa1, X.S. Bai2 

 1IDMEC, Mechanical Engineering Department, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, 

Lisboa, Portugal 2Division of Fluid Mechanics, Lund University, P.O. Box 118, S‐22100 Lund, Sweden 

*[email protected]  This work reports on the performance evaluation of three modern gas turbine concepts fuelled with ammonia.  Flame  speeds,  temperatures  and  NOx  and  NH3  emissions  were  evaluated.  Zero‐dimensional reactor networks combined with one‐dimensional premixed flame models were used to simulate the concepts of  lean‐burn dry‐low emissions  (DLE); rich‐burn, quick‐quench and  lean‐burn (RQL);  and  moderate  or  intense  low  oxygen  dilution  (MILD)  combustion.  A  recently‐developed detailed  chemical  kinetic mechanism  was  employed.  Results  (Figs.  1‐3)  showed  that  the  lowest emissions come from the RQL and MILD concepts, while the DLE concept only presents values below legislation limits in conditions deemed unstable  

 

Figure  1:  Results  for  the  DLE simulations.  (a)  Laminar  flame speeds;  (b)  NOx  and  NH3 emissions;  (c)  Outlet temperatures. 

Figure  2:  Results  for  the  RQL simulations  as  a  function  of  rich‐burning  stage  equivalence  ratio.  (a) C1  laminar  flame  speeds;  (b)  NOx emissions;  (c)  NH3  emissions;  d) temperatures  after  combustor stages. 

Figure  3:  Results  for  the  MILD simulations  as  a  function  of exhaust  gases  recirculation  ratio. (a)  NOx  emissions;  (b)  NH3 emissions;  (c)  inlet  temperatures; (d) outlet temperatures. 

   

Page 16: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

16 

Ignition delay times of diluted mixtures of ammonia/methane at elevated pressures  

C.F. Ramos1,*, B. Shu2, R.X. Fernandes2, M. Costa1 

 1IDMEC, Mechanical Engineering Department, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, 

Lisboa, Portugal 2Physikalisch‐Technische Bundesanstalt (PTB), Department of Physical Chemistry, Braunschweig, 

Germany *[email protected] 

 The  present worldwide  concern with  global warming  has  stimulated  the  development  of  carbon‐neutral  energy  technologies,  in  order  to  mitigate  the  need  of  fossil  fuels  and  the  emission  of greenhouse gases. In this sense, ammonia (NH3) is regarded as one of the most viable alternatives to produce carbon‐free energy. However, ammonia has proven to be more resilient to combustion than common  hydrocarbons,  which  is  why  it  is  often  coupled  with  other  fuels,  such  as methane,  to enhance  its  flammability  properties.  Nevertheless,  information  on  the  combustion  of  these  fuel mixtures  (NH3/CH4)  is  still  scarce,  especially  at  high  pressures, which  are  particularly  relevant  for modern  combustion  systems.  Therefore,  the  objective  of  this  work  is  to  study  the  ignition characteristics  of  diluted  NH3/CH4/O2 mixtures  at  elevated  pressures,  through measurements  of ignition delay  times  in a  rapid  compression machine at pressures of 20 and 40 bar,  temperatures between  920  and  1100  K,  and  equivalence  ratios  ranging  from  0.5  to  2.  Figure  1  displays  the experimental  results, which  show  that an  increase  in  the  content of ammonia  in  the  fuel mixture delays  the  ignition onset and narrows  the  temperature  range where  ignition occurs, hindering  the flammability of the mixture. In addition, a decrease in equivalence ratio shortens the ignition delay, thereby increasing the mixture reactivity. Moreover, it can be observed that higher pressures lead to considerably  lower  ignition delay  times. The experimental  results were  compared with 3  chemical kinetics mechanisms  [1‐3]. Figure 2  shows  that  the mechanism by Konnov  [1] under‐predicted  the measurements, while the mechanisms by Glarborg et al. [2] and Mendiara et al. [3] were capable of matching more closely the experimental results.  

 Figure 1: Experimental results of ignition delay times of NH3/CH4 fuel mixtures and pure ammonia [4] at (a) 20 

bar and (b) 40 bar. 

Page 17: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

17 

 Figure 2: Measurements and numerical results of ignition delay times of NH3/CH4 fuel mixtures, using chemical 

kinetics mechanisms from Konnov [1], Glarborg et al. [2], and Mendiara et al. [3]. 

 [1]  A.A. Konnov,  Implementation of  the NCN pathway of prompt‐NO  formation  in  the detailed 

reaction mechanism, Combust. Flame 156 (2009) 2093‐2105. [2]  P.  Glarborg,  J.A.  Miller,  B.  Ruscic,  S.J.  Klippenstein,  Modeling  nitrogen  chemistry  in 

combustion, Prog. Energy Combust. Sci. 67 (2018) 31‐68. [3]  T. Mendiara, P. Glarborg, Ammonia chemistry  in oxy‐fuel combustion of methane, Combust. 

Flame 156 (2009) 1937‐1949. [4]  X. He, B. Shu, D. Nascimento, K. Moshammer, M. Costa, R.X. Fernandes, Auto‐ignition kinetics 

of  ammonia  and  ammonia/hydrogen  mixtures  at  intermediate  temperatures  and  high pressures, submitted to Combust. Flame. 

   

Page 18: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

18 

Measurements in absolute concentration OF NO and NH by using laser based diagnostics in flames 

 N. Lamoureux*, P. Desgroux 

 

Univ. Lille, CNRS, UMR 8522 ‐ PC2A ‐ Physicochimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère, F‐59000 Lille, France *Nathalie.lamoureux@univ‐lille.fr 

 In view of limiting the greenhouse gases emissions, ammonia combustion is an interesting alternative to  carbon‐containing  fuel  combustion.  However,  NO  emissions  are  expected  to  be  important.  In order  to  better  understand  the  NH3  chemistry  in  various  operating  systems,  measurements  of intermediate species are valuable. NO and NH species can be measured in relative concentrations by using laser induced fluorescence (LIF) at around 226 nm, and 329 nm, respectively. The conversion of the relative concentration of NO into absolute concentration is generally performed by the standard addition method, but can also be performed from absorption measurements or chemiluminescence methods  of  the  gases  probed  in  the  reactor.  The  absolute  NH  radicals  concentration  can  be measured  locally by using cavity ring‐down spectroscopy  (CRDS). This  technique offers a sensitivity limit  of  2×1010 molecules  cm‐3,  which  should  largely  allow  performing  the  quantification  in  the reactor.    

Page 19: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

19 

Conversion of ammonia to hydrogen on quartz surface  

I. Rahinov1, S. Cheskis2,* 

 1Department of Natural Sciences, The Open University of Israel, Raanana 4353701, Israel 

2School of Chemistry, Tel Aviv University, Tel Aviv 69978, Israel *[email protected] 

 The  search  for  alternative,  carbon‐free  fuels  has  recently  become  one  of  the  most  important research topics. Hydrogen is one of the leading candidates. Ammonia is an excellent hydrogen carrier owing  to  its  several  favorable attributes. We  found  that quartz  surfaces  can work as efficient and inexpensive  catalyst  for  conversion  of  ammonia  to  hydrogen.  The  NH2  radical  absolute concentrations were measured using intracavity laser absorption spectroscopy during the process of ammonia  pyrolysis  at  temperatures  of  800  ‐  1000  K.  The  NH2  spectra  have  been  recorded  at pressures  of  12  ‐  380  Torr.  The  observed  absolute  concentrations  (in  the  order  of  1011 molecules/cm3)  were  higher  than  was  predicted  by  the  gas‐phase  pyrolysis  mechanisms.  These mechanisms also overestimate the activation energy of the process. The experimental observations can  be  explained  by  the  existence  of  an  additional  channel  of  NH2  formation  ‐  probably  on  the surface of the reaction vessel. The addition of oxygen to the reaction mixture causes a considerable (four‐fold)  increase  in  the NH2  radical  concentration.  Consistently with  efficient  decomposition  of ammonia  accompanied  by  formation  of  the  NH2  intermediate,  we  have  observed  a  significant pressure rise due to NH3 = 0.5 N2+1.5H2 decomposition reaction. After 15 minutes from the beginning of  the  conversion  process  decomposition  of  as  high  as  about  30  %  of  initial  ammonia  gas  was achieved at 1200 K. These results clearly indicate the potential of the quartz catalyst for facilitation of ammonia utilization as hydrogen carrier and call for further studies aimed at process characterization and optimization e.g  influence of catalyst surface area, durability,  linearity of the process at  longer reaction times etc.    

Page 20: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

20 

Experimental studies for model validation of NH3 combustion  

C. Brackmann*, M. Aldén, A.A. Konnov  

Combustion Physics, Lund University, Box 118, S‐221 00 Lund, Sweden *[email protected] 

 An increased interest in renewable fuel alternatives makes ammonia (NH3) of increasing relevance in combustion due to multiple roles in this development. 

Ammonia has potential as a hydrogen‐carrier and a fuel allowing for carbon‐free combustion. 

Ammonia  is a key  species  in  the chemistry of  fuel‐bound nitrogen, as one of  the  reported decomposition routes for fuel‐nitrogen goes via NH3 formation. 

Ammonia is used as an agent in catalytic and non‐catalytic reduction of nitric oxides (NOX) in emission control. 

This poster presents  investigations of premixed NH3 combustion at atmospheric pressure  including cases of neat NH3  combustion as well as an NH3‐seeded CH4  flame.  Laser‐diagnostic methods  can provide  excellent  spatial  and  temporal  resolution  for  non‐intrusive  in‐situ  measurements  of temperature and  chemical  species  in  combustion. Experimental data obtained by  such  techniques are compared with predictions from chemical mechanisms of NH3 combustion.    

Page 21: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

21 

Investigation of NH3 and NH3/CH4 MILD combustion in a cyclonic burner  

G. Sorrentino1,*, P. Sabia2, P. Bozza2, R. Ragucci2, M. de Joannon2  

1DICMAPI‐Università degli Studi di Napoli Federico II, P.le Tecchio 80, 80125, Naples, Italy 2Istituto di Ricerche sulla Combustione‐CNR, P.le Tecchio 80, 80125, Naples, Italy 

*[email protected]  The utilization of ammonia as a  fuel  seems  to be  a promising  concept  in  the  context of  chemical storage for future energy systems. Its high hydrogen density and the possibility of being employed as a fuel for combustion systems without requiring a hydrogen extraction process, or as a fuel in other applications make such molecule very important in the future energy system scenario. Nevertheless, a significant gap exists between the growing interest in ammonia‐based power applications, current knowledge and understanding required to obtain good designs. Hence, this work helps to fill the gap between research, development and  implementation for new technologies which has the potential to provide a sustainable energy system. The combination of reactants dilution and preheating may greatly  increase  system energy efficiency and  lower pollutants production producing very peculiar combustion  regime  (MILD Combustion). Hence,  the  aim of  this work  is  to provide  an  insight  into these  practical  issues,  utilizing  a  cyclonic  flow  combustor  under  MILD  Combustion  conditions, investigating ammonia‐firing conditions. An investigation into the influence of operative parameters (preheating  temperature,  equivalence  ratio  and  thermal  power)  is  also  explored  for  stationary applications.  The  study  aims  at  exploiting  the  performance  of  a  small‐size  cyclonic  burner  for  a carbon‐free  fuel  (NH3)  through  the  characterization  of  the  process  stabilization  and  pollutant emissions as a function of the mixture equivalence ratio and the nominal thermal power of the inlet mixture (from 2 to 10 kW), with the aim of identifying the optimal operating condition of the system. The process was monitored through temperature measurements and flue gas analysis at the exit of the combustion chamber. Results were extended to ammonia/methane blends. Results suggest that for ammonia/air mixtures the burner has to operate under slightly rich conditions to minimize NOx emissions. Furthermore, the burner temperatures have to be higher than a certain value to ensure combustion  process  stabilization.  Moreover,  the  burner  can  be  exercised  also  with  ammonia‐methane  fuels  in  order  to  increase  the HV  of  the mixture  and  enhance  the  stabilization  process. However, it results that in this case a very narrow operational windows is identified to minimize both the CO and NOx emissions. 

   

Page 22: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

22 

Investigation on heterogeneous surface effects on NH3/O2 highly diluted oxidation  

P. Sabia1, M. V. Manna1,2,*, R. Ragucci1, M. de Joannon1 

 1Istituto di Ricerche sulla Combustione‐CNR, P.le Tecchio 80, 80125, Naples, Italy 

2DICMAPI‐Università degli Studi di Napoli Federico II, P.le Tecchio 80, 80125, Naples, Italy *[email protected] 

 Experimental  data  on  oxidation  processes  are  usually  obtained  in  quartz  reactors  to  minimize heterogeneous  surface  reactions.  However,  as  suggested  by  several  works  [1],  heterogeneous reactions on quartz surface can occur for some nitrogen species, in particular ammonia, thus leading to  some uncertainties  in data  interpretation.  In  this work,  the potential  impact of heterogeneous reactions was evaluated by collecting experimental data  in  two  tubular  laminar  flow reactors  (LFR) made  of  different materials:  quartz  and  alumina.  Experimental  tests  were  realized  for  different stoichiometric  NH3/O2  mixtures  diluted  in  N2  or  Ar  with  the  same  dilution  level  (d  =  86%)  at atmospheric pressure. The experimental campaign  for  the mixture diluted  in N2  shows  that within the quartz tube, NO profile exhibits a non‐monotonous trend: it increases as a function of Tref with a relative maximum for Tref about 960 K, then it decreases down to a relative minimum at around Tref =1160 K. At higher Tref, NO concentration abruptly  rises and  the maximum detected value  is 1050 ppm. For the alumina reactor, NO concentration  increases as a function of Tref until 960 K, then for 960<Tref <1120 K it remains constant. At higher temperatures, it increases suddenly to a value close to the one detected within the quartz reactor. The main differences between the two NO profiles are observed  for Tref  in between 960‐1120 K. The H2 profiles  are  similar  for both  the  systems, with  a slightly higher amount of hydrogen for the alumina reactor. H2 concentration increases as a function of  Tref  until  1300  K,  then  it  suddenly  decreases  to  zero  at  Tref  >  1300  K.  The  experimental  data obtained  for  the  mixture  diluted  in  Ar  suggest  similar  results.  In  particular,  more  significant differences in NO profiles could be observed for the low‐intermediate temperatures with respect to the N2 diluted system. In spite of surface effects, three different kinetic regimes can be identified in both the quartz and alumina reactors, endorsing the results obtained by Sabia et al [2]. in the JSFR.  [1]  Glarborg, Peter, et al., Prog. Energy Combust. Sci. 67 (2018) 31‐68. [2]  Sabia, P., Manna, M. V., de Joannon, M., Ragucci, R., Workshop on MILD Combustion, Naples, 

24‐25 January 2019. 

   

Page 23: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

23 

Experimental and numerical study on ammonia oxidation in a JSFR  

P. Sabia1, M. V. Manna1,2,*, R. Ragucci1, M. de Joannon1 

 1Istituto di Ricerche sulla Combustione‐CNR, P.le Tecchio 80, 80125, Naples, Italy 

2DICMAPI‐Università degli Studi di Napoli Federico II, P.le Tecchio 80, 80125, Naples, Italy *[email protected] 

 Ammonia  is  a  non‐carbon molecule  that  could  be  used  as  a  clean  energy  carrier  in  combustion systems since it can be oxidized without CO2 emissions. Furthermore, ammonia can be produced by traditional processes or innovative ones integrated with renewable sources. Its storage and delivery is  particularly  feasible  if  compared with  hydrogen. However,  physical  and  chemical  proprieties  of ammonia  (high  ignition  temperature,  low  laminar  flame  velocity  and  low  heating  value)  are  not promising to burn ammonia by traditional technologies and, peculiar attention should be paid for its high potentiality to produce NOx in oxidation processes. For these reasons, the successful application of ammonia as an alternative fuel requires a detailed understanding of its oxidation mechanism and NOx pollutant formation routes. Such targets are hindered by the lack of experimental data in simple systems with controlled operating parameters. Given  this background,  this work aims at collecting data  by  performing  experimental  tests  in  a  Jet  Stirred  Flow  Reactor.  Tests  were  performed  for ammonia/oxygen/nitrogen  mixtures  and  ammonia‐hydrogen/oxygen/nitrogen  mixtures,  changing the mixture  inlet  temperature  and  equivalence  ratio.  Experimental  results  were  compared  with numerical simulations using different kinetics mechanisms available  in  literature. Experimental data suggest  that  it  is possible  to  identify  three different  kinetics  regimes:  low,  intermediate  and high temperatures. The ignition temperature is independent of equivalence ratio (about 1225 K). NOx and hydrogen concentration profiles are very similar for low and intermediate temperatures, but exhibit a  strong  dependence  on  the  equivalence  ratio  for  high  temperatures.  None  of  the  used  kinetic models can accurately reproduce the experimental data in the considered operating conditions. Two of  the considered models  (Konnov et al.  [1], Nakamura et al.[2]) predict a higher  reactivity at  low temperatures  with  respect  to  the  experimental  data,  and  suggest  the  occurrence  of  dynamic behaviors at intermediate ones. The other two kinetic schemes (Song et al. [3], Frassoldati et al. [4]) predict  no  reactivity  at  low  and  intermediate  temperatures. At  high  temperature,  all  the models envisage  a  similar  reactivity.  Flux diagrams, Reaction Rates  and  first‐order  temperature  sensitivity analyses suggested that N2H2 and N2H4 species play a key role at low temperature and intermediate temperature, while at high  temperature  the ammonia oxidation  routes  involve  the  formation and consumption of NH radicals. The main differences among mechanisms are the description of the low‐intermediate temperature reaction rates. These comparisons highlight the inconsistency of available kinetic mechanism to predict the most important features of ammonia combustion.  [1]  Konnov, A., Ruyck, J. De., Combust Sci Technol, 2000, 152.1: 23‐37 [2]  Nakamura, H., Hasegawa, S., Tezuka, T., Combust Flame, 2017, 185: 16‐27. [3]  Song, Y., Hashemi, H., Christensen,  J. M., Zou, C., Marshall, P., Glarborg, P., Fuel, 2016,181, 

358‐365. [4]  Frassoldati, A., Faravelli, T., Ranzi, E., Int J Hidrogen Energ, 2006, 31(15):2310‐2328.    

Page 24: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

24 

Ammonia chemical kinetics improvement with evolutionary algorithms using an efficient optimization tool 

 A. Bertolino1,2,3,*, M. Fürst1,2,3, A. Stagni2, A. Frassoldati2, A. Parente1,3 

 1Université Libre de Bruxelles, Ecole Polytechnique de Bruxelles, Aero‐Thermo‐Mechanics, Laboratory, 

Brussels, Belgium 2Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering “G. Natta”, Politecnico di Milano, 

P.zza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano, Italy 3Combustion and Robust Optimization Group (BURN), Université Libre de Bruxelles and Vrije 

Universiteit Brussel, Bruxelles, Belgium *[email protected] 

 Hydrogen  is a promising energy  carrier as  it  can be produced via water electrolysis exploiting  the 

surplus power generation  from wind and  solar power plants, closing  the  loop  for a carbon  free energy production cycle. Ammonia shows a very high potential as H2 carrier, in both economic and technical aspects, as  it has very high H2 density and  it can be easily  liquefied, solving the storage and transport problems associated with hydrogen. However, laminar flame speed measurements for NH3  in different  conditions  showed  its  limited  reactivity and applicability as a direct energy source. Recently, the ammonia/hydrogen interaction has been investigated in internal combustion engines, swirling gas turbines, and Rapid Compression Machines (RCM) at high pressures and low temperature  conditions.  The  comparison  between  recent  experiments  and  zero‐dimensional simulations with  detailed  kinetics  led  to  the  conclusion  that  several  existing mechanisms  give inaccurate predictions for the ignition delay time in such mixtures. This opens new challenges for ammonia chemistry modelling, which can be addressed by using optimization techniques.  In this study, a detailed kinetic model  from POLIMI was  improved using experimental data  from RCMs and  Plug  Flow  Reactors  (PFR)  as  targets  for  a  new  optimization  procedure. 

 

Figure  3  shows  a  comparison  between  the  original mechanism  and  the  optimized  one,  against experimental data at high pressure and low temperature, which were obtain in a rapid compression machine.  

 Figure 3: Ignition delay time for pure ammonia at 43 (black) and 65 bar (blu) against temperature after the 

compression stroke in a Rapid Compression Machine. Comparison between nominal mechanism and optimized. 

 The  abovementioned  optimization  procedure  takes  advantage  of  an  efficient  tool  for  zero‐dimensional reactors‐based optimization and of a parameter selection methodology based on  local 

Page 25: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

25 

brute force sensitivity analysis, which allowed to constrain the number of considered parameters to a minimum, reducing the dimensionality of the problem upstream the. The Evolutionary Algorithm was used  to determine  the  fittest survivor among  the set of all possible combinations of  reaction  rates parameters within their uncertainty ranges.   The first Author acknowledges the support of Funds pour la Recherche Scientifique (FNRS) through a FRIA  fellowship  of  the  project:  HOPTIMAL  ‐  Hierarchical  development  of  OPTimised  kinetic Mechanisms  for Advanced  combustion  technoLogies. This work has also  received  funding  from  the European Unions Horizon 2020 research and  innovation program under the Marie Sklodowska‐Curie grant  agreement  No  643134,  and  the  research  of  A.  Parente  was  sponsored  by  the  European Research Council, starting grant 714605.    

Page 26: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

26 

Fuel injection and combustion simulations of ammonia and ammonia/methane/hydrogen mixtures in constant volume chambers 

 Charalambos A. Chasos* 

 Mechanical Engineering Department, Frederick University, Nicosia, Cyprus 

*[email protected]  

The  combustion  of  fossil  fuels  in  transportation  and  stationary  application  produces  harmful emissions.  So  far,  the  utilisation  of  alternative  gas  fuels,  namely  methane  and  hydrogen  was considered  for  the  reduction  of  carbon  dioxide  emissions  for  cleaner  combustion  applications. However, the use of methane and hydrogen  impose problems related with distribution and storage at very high compression pressures. A promising solution  is the use of ammonia as alternative fuel which  has  no  carbon  content.  Ammonia  is  liquefied  in  relatively  low  pressures  and  it  is  readily available since it is widely used in the petrochemical industry, for which the infrastructure of storage and  distribution  is  fully  developed  and  secured.  The main  objective  of  the  present work was  to investigate  the  fuel  injection  and  carry  out  combustion  simulations  of  ammonia  and ammonia/methane/hydrogen mixtures  in constant volume chambers,  in order to assess the various test  fuels and  identify and compare  their quality. For  the  investigations of  the present work,  three test  fuels  were  examined,  namely  100%  ammonia,  50%  ammonia  and  50%  methane,  and  50% ammonia  and  50% hydrogen. A  typical direct‐injection natural  gas  injector was  assembled with  a constant‐volume  chamber,  in  order  to  simulate  the  gas  fuel  injection  and  provide  the  initial conditions for the constant volume chamber simulations. The CFD code STAR‐CD was employed for the  investigations of multi‐fluid  injection. The Eulerian modelling methodology  for multi‐fluid  flow was adopted for gas injection flow, while the three‐step eddy breakup combustion model was used for the combustion simulation. The physical properties of the fuels were defined from the database of  the  code.    From  the  injection  simulations,  the  pattern  of  the  produced  air/fuel mixtures was compared and it was found that the differences between pure ammonia and the 50% ammonia and 50% methane  air/fuel mixture  fields  are negligible, while  the produced  air/fuel mixture with 50% ammonia  and  50% hydrogen  test  fuel  is wider  and  its penetration  is  shorter by  around  20  to  30 percent. Furthermore, within  the context of  the present  study  the  three‐step EBU model  for pure methane was applied successfully, but when it was used for the combustion simulation of ammonia and  its mixtures,  it was not  successful  and  further work  is  required.  From  the present work,  it  is recommend to  incorporate special chemical kinetics mechanisms that will contribute  in the realistic modelling of ammonia and its mixtures combustion.    

Page 27: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

27 

Collisional energy transfer in nitrogen‐containing flames  

György Lendvay*  

Institute of Materials and Environmental Chemistry, Research Centre for Natural Sciences, Hungarian Academy of Sciences, Budapest, Hungary 

*[email protected]  Collisional  energy  transfer  is  an  important  contributor  to  the  kinetics  of  unimolecular  and recombination  reactions  in  flames.  In  addition,  the  products  of  many  reactions  are  generated vibrationally  excited.  Their  thermalization  also  occurs  in  collisional  energy  transfer.  Direct measurement of the rates of energy‐transfer processes  is difficult and  is confined to a few systems whose spectroscopic or other properties allow precise determination of concentrations  in different energy states. Theoretical methods are, however, able to fruitfully fill  in the gaps  in our knowledge on  the process. Quantum  scattering  calculations  as benchmarks  are used  to  validate  the  classical mechanical methods.  The  latter  have  been widely  and  successfully  applied  to  the  calculation  of detailed  and/or  average  properties  of  collisional  energy  transfer  from  vibrationally  highly  excited molecules. The calculations so far concentrated on experimentally studied  inorganic molecules and to hydrocarbons and some oxidized derivatives. Very little is known about collisional energy transfer on  species  in  nitrogen‐containing  flames.  We  started  trajectory  calculations  on  such  systems, focusing  first on NH2 and NH3.  In  the poster  the preliminary  results will be presented. The energy transfer properties of ammonia will be compared with that of methane.    

Page 28: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

28 

Investigation of reaction mechanisms of ammonia combustion  

G. Juhász, I. Gy. Zsély*, T. Turányi  

Institute of Chemistry, ELTE Eötvös Loránd University, Budapest, Hungary *[email protected] 

 Ammonia  is  a  promising  energy  carrier  from  several  points  of  view.  It  is  carbon‐free,  has  high hydrogen  density  and  can  be  produced  on  an  industrial  scale  in  highly  efficient  processes.  The existing  distribution  network  and  easy  storage  by  liquefaction  make  it  even  more  attractive. However,  low  calorific  value,  poor  ignition,  flame  instability  and  the  possible  increase  of  NOx emission are  the main potential problems of  its usage. The aim of  this work  is  to characterize and compare  the  performance  of  several  detailed  ammonia  combustion  reaction mechanisms  on  the basis of experimental data. We have  collected ammonia combustion  related publications  in which ignition delay times in shock tubes, concentration profiles in flow reactors, laminar burning velocities in  outwardly  propagating  spherical  flames,  and  concentration  profiles  in  burner  stabilized  flames were measured. All the experimental data were encoded  in ReSpecTh Kinetic Data Format 2.0 XML files  [1]. The collected data contain 860 data points  in 86 datasets. The standard deviations of  the experimental datasets were estimated using program SplineFit  [2] and based on  the experimental errors reported in the publications. Seven recent reaction mechanisms were investigated, published by Abian et al. [3], Zhang et al. [4], Glarborg et al. [5], Klippenstein et al. [6], Shrestha et al. [7], Mével et  al.  [8],  and  Song  et  al.  [9].  Simulations were  carried using  the Optima++  framework  code  [10] calling  the  FlameMaster  simulation  package  [11].  The  performance  of  the  mechanisms  were compared  on  the  basis  of  average  error  values  and  average  absolute  deviations  from  the experimental  data,  calculated  by  program  outgen  [12].  Ignition  delay  time measurements  were reproduced the best. Except for the Mével mechanism, the results of all other mechanisms were  in good  agreement  with  the  measured  ignition  delay  times.  The  simulation  results  of  the  burner stabilized  flames  provided  the  least  agreement with  the  experimental  data.  These  disagreements sometimes did not lead to high error function values E, since large experimental scatter was assumed for these measurements at the error estimation step reflecting to their high uncertainty. According to  the analysis of  the simulation  results,  the Zhang  [4], Glarborg  [5], and Shrestha  [7] mechanisms were found to be the most accurate on average for the full dataset. For each measurement type, the most accurate  simulation  results were obtained using one of  these mechanisms.  For  the datasets that  were  generally  well  reproducible  using  most  of  the  mechanisms,  the  Glarborg  mechanism provided  the  most  accurate  results.  Based  on  these  results,  for  the  simulation  of  ammonia combustion  or  as  a  starting  point  for  the  further  development  of  a  mechanism  of  ammonia combustion any of these three mechanisms can be a good candidate.  [1]  T. Varga, C. Olm, Á. Busai, and I. Gy. Zsély, ReSpecTh Kinetics Data Format Specification v2.0. 

2017. [2]  T. Nagy, Minimal Spline Fit  Introducing Root‐Mean‐Square Fitting of Data Series with Akima 

Splines. [Online]. Available: http://respecth.hu. [3]  M. Abian, M. U. Alzueta, and P. Glarborg, Int. J. Chem. Kinet., vol. 47, pp. 518–532, 2015. [4]  Y. Zhang, O. Mathieu, E. L. Petersen, G. Bourque, and H. J. Curran, Combust. Flame, vol. 182, 

pp. 122‐141, 2017. [5]  P. Glarborg, J. A. Miller, B. Ruscic, and S. J. Klippenstein, Prog. Energy Combust. Sci., vol. 67, 

pp. 31‐68, 2018. [6]  S. J. Klippenstein, L. B. Harding, P. Glarborg, and J. A. Miller, Combust Flame, vol. 158, pp. 774‐

789, 2011. [7]  K. P. Shrestha, L. Seidel, T. Zeuch, and F. Mauss, Energy & Fuels, vol. 32, no. 10, pp. 10202‐

10217, Oct. 2018. [8]  R. Mével, S. Javoy, F. Lafosse, N. Chaumeix, G. Dupre, and P. C‐E, Proc Combust Inst, vol. 32, 

pp. 359‐366, 2009. 

Page 29: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

29 

[9]  Y. Song, L. Marrodán, N. Vin, O. Herbinet, E. Assaf, C. Fittschen, A. Stagni, T. Faravelli, M. U. Alzueta, and F. Battin‐Leclerc, Proc. Combust. Inst., vol. 37, no. 1, pp. 667‐675, 2019. 

[10]  T. Varga, Á. Busai, and  I. G. Zsély, Optima++ v1.0: A general C++  framework  for performing combustion simulations and mechanism optimization, 2018. Available: http://respecth.hu. 

[11]  H.  Pitsch,  FlameMaster  v4.0  BETA:  A  C++  Computer  Program  for  0D  Combustion  and  1D Laminar  Flame  Calculations,  2016.  Available:  https://www.itv.rwth‐aachen.de/index.php?id=flamemaster&L=1. 

[12]  C. Olm, outgen v3.5: A Fortran computer program  for  flexible output generation during  the investigation of combustion mechanism, 2017. Available: http://respecth.hu. 

 

Page 30: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

30 

Membrane technology for ammonia exploitation 

 

D. Koutsonikolas, G. Pantoleontos, A. Asimakopoulou, G. Karagiannakis, G. Skevis* 

 

Aerosol & Particle Technology Laboratory, Chemical Process & Energy Resources Institute, Centre 

for Research & Technology Hellas, 57001, Thessaloniki, Greece. 

*[email protected]  

Climate  change mitigation efforts have  triggered  the  search  for  renewable energy  sources and 

alternative  fuels.  Towards  this  direction,  ammonia  has  received  increased  attention  as  a 

sustainable energy carrier that can be used either as a carbon‐free fuel for direct combustion or 

as  a  hydrogen  carrier  in  a  cyclic  ammonia  synthesis/recovery‐transportation‐decomposition 

scheme. In an industrial scale, ammonia is mainly produced by the Haber‐Bosch process through 

reaction  of  nitrogen  extracted  from  atmospheric  air with  hydrogen, mainly  produced  through 

natural  gas  reforming.  Provided  that  excess  renewable  electricity  is  available  to  produce 

renewable hydrogen (e.g. via electrolysis driven by solar or wind energy), ammonia can become a 

truly  zero‐carbon  fuel  with  zero  carbonaceous  emissions.  Another  attractive  option  is  the 

recovery and exploitation of biogenic ammonia. Biogenic ammonia is mainly a waste of intensive 

animal agriculture in livestock (cattle, poultry and pig) farms. The EU agricultural sector emitted a 

total of more than 3700 kT of ammonia  in 2015, corresponding to almost 94% of total ammonia 

emissions  across  the  region.  Ammonia  emissions  have  a  negative  impact  on  agriculture, 

ecosystems (causing soil and water eutrophication and acidification), contribute to the formation 

of  aerosols  in  the  atmosphere,  impair human health  and  represent  a high  cost  to  the  society. 

Therefore,  the  recovery  and  exploitation  of  biogenic  ammonia  could  greatly  increase  the 

efficiency and sustainability of both the energy and the agricultural sectors through a waste‐to‐

fuel process based on the main principles of circular economy. The current work aims to explore 

the  role  of membrane  technology  in  the whole  ammonia  exploitation  value  chain.  Therefore, 

different membrane  technologies and materials,  including gas‐liquid membrane  contactors and 

inorganic gas  separation membranes, will be  considered, evaluated and presented as potential 

candidates  for  ammonia  recovery  and  subsequent  exploitation.  Figs. 1  and 2  show  conceptual 

flow diagrams  for the application of membrane technology  in ammonia recovery  from  livestock 

facilities and in subsequent ammonia decomposition for hydrogen generation, respectively [1‐3]. 

 

 Figure 1: Conceptual flow diagram for ammonia recovery from a livestock facility though a gas‐liquid 

membrane contactor. 

Page 31: program and abstracts - Smartcats · 2019. 5. 18. · Modeling of ammonia and ammonia/hydrogen oxidation ... combustion engines as fuel: low flame speed, high auto‐ignition temperature,

31 

 Figure 2: Conceptual flow diagram of an inorganic membrane reactor for simultaneous ammonia 

decomposition and hydrogen recovery. 

 

[1]  R.W. Melse,  N.W.M.  Ogink,  Air  scrubbing  techniques  for  ammonia  and  odor  reduction  at livestock  operations:  Review  of  on‐farm  research  in  the  Netherlands,  Transactions  of  the ASAE, 48 (2005) 2303‐2313. 

[2]  M.J. Rothrock Jr., A.A. Szögi, M.B. Vanotti, Recovery of ammonia from poultry litter using flat gas permeable membranes, Waste Management, 33 (2013) 1531‐1538. 

[3]  Y.S.  Jo,  J. Cha, C.H. Lee, H.  Jeong, C.W. Yoon, S.W. Nam,  J. Han, A viable membrane reactor option  for  sustainable hydrogen production  from  ammonia,  Journal of Power  Sources, 400 (2018) 518–526. 

 

The authors would like to thank the European Union and the General Secretariat for Research and 

Technology  Hellas  for  the  financial  support  of  part  of  this work  through  the  projects  RECODE 

(Grant Agreement number: 768583) and PUREHY (Grant Agreement number: Τ1ΕΔΚ‐02992).