Experimental Investigation on Gas Turbine Burner Operated with Simulated Exhaust Gas Recirculation

La tesi affronta lo studio sperimentale di tecnologie avanzate per la combustione in turbine a gas alimentate a metano, con particolare attenzione all’integrazione con sistemi di Carbon Capture and Storage (CCS). Tali tecnologie rappresentano una soluzione promettente per la decarbonizzazione dei sistemi energetici convenzionali, soprattutto se associate a strategie come il ricircolo dei gas combusti (EGR), che aumenta la concentrazione di CO₂ nei fumi facilitando la cattura del carbonio. Tuttavia, l’uso di EGR comporta criticità legate alla stabilità della combustione a causa della ridotta disponibilità di ossigeno. La ricerca, svolta presso il THT Lab dell’Università di Firenze su un bruciatore industriale Baker Hughes, ha previsto un’ampia campagna sperimentale in condizioni standard e in ambienti poveri di ossigeno simulati tramite diluizione con CO₂. Sono state impiegate tecniche diagnostiche ottiche avanzate (Particle Image Velocimetry e chemiluminescenza OH*) per analizzare la dinamica di fiamma, le emissioni e la stabilità. Un contributo innovativo è stato lo studio dell’iniezione di idrogeno in miscela con il metano, valutandone l’efficacia nel migliorare la stabilità e ridurre le emissioni in condizioni critiche. Inoltre, sono stati analizzati diversi schemi di iniezione del combustibile per indagare l’influenza della geometria del bruciatore. I risultati forniscono indicazioni utili per l’ottimizzazione di sistemi di combustione in turbine a gas operative con alti tassi di EGR e costituiscono una base sperimentale solida per la validazione di modelli numerici di combustione. This doctoral thesis focuses on the experimental investigation of advanced combustion technologies for natural gas-fired gas turbines, with particular attention to their integration with Carbon Capture and Storage (CCS) systems. These technologies offer a promising pathway for decarbonizing conventional power systems, especially when combined with Exhaust Gas Recirculation (EGR), which increases CO₂ concentration in the exhaust gases, thereby enhancing carbon capture efficiency. However, high EGR rates reduce oxygen availability, posing challenges to combustion stability. The research was carried out at the THT Lab of the University of Florence, using an industrial burner developed by Baker Hughes. A comprehensive experimental campaign was conducted under both standard conditions and oxygen-depleted environments simulated through CO₂ dilution. Advanced optical diagnostics (Particle Image Velocimetry and OH* chemiluminescence) were employed to study flame dynamics, emissions, and stability. A key innovative aspect of the work was the injection of hydrogen into the natural gas stream to support combustion under oxygen-lean conditions. The addition of hydrogen proved effective in stabilizing the flame and reducing CO emissions. Furthermore, various fuel injection strategies were tested to assess the influence of burner geometry on combustion performance. The findings provide valuable insights for optimizing combustion systems operating with high EGR levels and offer a robust experimental foundation for the validation of numerical combustion models.