ATAC i system - Energimyndigheten

ATAC i system 

Projekt nr: P10025 - 3 

Projektledare: Prof. Bengt Johansson 

Projektdeltagare: Tekn. Lic. Olof Erlandsson, doktorand (100%) 

Prof. Bengt Johansson, handledning (20%) 

(Tekniker på 50%) 

Etappens varaktighet: 2000-11-01 till 2002-03-31 (Etapp3) 

Beviljade medel: 1 265 000 kr 

Referensgrupp: Fadder: Thomas Stenhede (Wärtsilä NSD) 

Resultat presenteras även för Kompetenscentrum för 

Förbränningsprocesser i Lund 1 

___________________________________________________________________________ 

Projektbeskrivning: 

Projektet handlar om studier av motorsystem (kolvmotor) där förbränningen sker genom s.k. 

homogen kompressionsantändning. Detta kan närmast beskrivas som en motor som använder 

sig av en mager, förblandad bränsle - luft blandning, som sedan komprimeras till 

självantändning. Antändningen är alltså bestämd av bränslets självantändningsegenskaper och 

de förutsättningar, tillstånd, som ges i det aktuella driftsfallet, t.ex. insugstemperatur och 

tryck, kompressionsförhållande, bränslemängd, varvtal, EGR m.m. m.m. Man får en motor 

med dokumenterat hög verkningsgrad och ultralåga NOx-emissioner (0-10 ppm). Problemet, 

eller utmaningen, ligger i att komma runt den låga specifika effekten, utsläppen av HC 

emissionerna och styrningen av förbränningen. 

Projektets mål: 

Projektet har som mål att presentera ett fungerande motorsystem av den angivna typen med 

hög verkningsgrad, låga emissioner (NOx, CO, HC) och acceptabel specifik effekt. Målet nås 

genom systemstudier i form av datormodellering av motor och kringliggande komponenter 

som t.ex. turboladdare och laddluftkylare. Viss experimentell verksamhet görs i projektet för 

att studera efterbehandling av avgaser. Primärt är det bränslen som naturgas, biobränslen 

(biogas) och applikationer för elproduktion som är intressant inom projektet. 

Systemstudier 

Katalysatorexperiment 

1 Deltagande företag: Caterpillar Inc., Cummins Engine Co., Saab Automobile AB, Scania CV AB, Sydkraft AB, 

Volvo Car Corporation, AB Volvo Penta, Volvo Truck Corporation, Wärtsilä NSD Oy och Toyota Motors.

Angreppsätt 

Under etapp 1 och 2 har ett simuleringsprogram tagits fram i MATLAB för simulering av 

energi och massflöde i ett motorsystem. Programpaketet (här kallat ESIM) är utbyggt av flera 

moduler avgränsade som funktioner vilka representerar motor, turbo, laddluftkylare, insug 

och avgassamlare m.fl. komponenter. Dessa moduler eller delar, kopplas sedan m.a.p. 

massflöden, tryck och temperatur så att ett helt system modelleras. 

Under etapp 3 har inlänkning av ett en-zons kemisk-kinetik program i cykelberäkning gjorts 

vilket har gett en prediktering av antändningstidpunkten. Mycket arbete har lagts ned på att 

studera olika uppsättningar av reaktioner och validering av beräknad antändning mot 

experiment i 1-cylindrisk motor. Delar av arbetet ska presenteras vid ASME 2002 Spring 

Technical Conference, April 14-17. I denna artikel har kinetiken validerats m.h.a. ESIM men 

applicerats i ett kommersiellt simuleringsprogram – GT-power. Detta arbete har gjorts vid 

avdelningen för Förbränningsfysik, LTH av gästforskare Luca Montorsi (University of 

Modena and Reggio Emilia) i ett samarbete med Kompetenscentrat för Förbränningsprocesser 

i Lund. 

Vad som upptäcktes var att 1-zons kemisk- kinetikmodell är någorlunda bra på att prediktera 

antändningstidpunkt men dålig på att prediktera förbränningens utbredning över tiden 

(durationen). I och med att man överpredikterar förbränningshastigheten så överskattar man 

även det indikerade arbetet och därmed motorns verkningsgrad. En övergång till 

flerzonsmodeller skulle kunna lösa detta men bedöms som beräkningsmässigt bli för 

tidsödande om syftet är att använda modellen för systemsimulering. Därför har en empirisk 

modell tagits fram som bedöms som bättre kan prediktera durationen utan att ge en betydande 

ökning av beräkningstid. 

Uppnådda resultat 

Etapp 3 har även varit en studieintensiv period i forskarutbildningen vilket har gjort att alla 

erfordliga studier inför doktorsavhandlingen är klara. Mycket arbete har även gjorts för att få 

kopplingen till kinetik för prediktering av värmefrigörelsen. Ren praktiskt har detta gjorts på 

enklast möjliga sätt genom att kalla på kinetikberäkningsprogrammet direkt från MATLAB. 

Först genereras indatafilerna till programmet och efter exekveringen av kinetiken läses dess 

utdatafiler och behandlas för att passa till övriga cykelberäkningen. Detta visa schematiskt i 

Figur 1. 

MATLAB 

System 

@ 60° BTDC 

Input files 

Chemical kinetics 

calculation 

FORTRAN EXEC. 

Output files 

@ EVO 

Figur 1 Kopplingen mellan systemsimuleringsprogrammet i MATLAB (ESIM) med 

kinetikprogrammet, exekverbar fil. Kinetikprogrammet tar över beräkningarna 60 grader före 

övre dödläge.

I Figur 2 visas ett exempel där 10 efterföljande cykler simuleras 2 , C1 – C10 där den första, C1 

är med ren, kall luft, i C2 har uppvärmd bränsleluftblandning sugits in men antändning sker 

inte. Detta får till följd att restgaserna för C3 innehåller mycket bränsle. 

Bränslekoncentrationen för C3 blir så hög att tändning sker. Under C4-C10 består restgaserna 

av varm restgas vilket även stabiliserar förbränningstidpunkten. Notera att förbränningen är 

väldigt snabb vilket även får till följd att den maximala temperaturen blir hög. I det här fallet 

skulle förmodligen en hel del NOx genereras. 

Pressure [bar] 

180 

160 

140 

120 

100 

80 

C3 

C4−C10 

340 350 

C1, C2 

360 370 

CAD 

380 390 

Temperature [K] 

2000 

1800 

1600 

1400 

1200 

1000 

C3 

C4−C10 

320 340 

C1, C2 

360 380 

CAD 

400 420 

Figur 2 Simulering av 10 efterföljande cykler (tryckförlopp till vänster och temperatur till 

höger). Den första cykeln är med enbart kall luft som medie. 

I och med att förbränningsrummet och cylindern behandlas som en volym, med en homogen 

temperatur och tryck överskattas förbränningshastigheten. I en verklig motor fås en viss 

”eftersläpning”, eller utslätning av värmefrigörelsen p.g.a. zoner som utsätts för 

värmeförluster (väggzoner) får en lägre temperatur och antänds senare, efter det att bulken har 

antänds. I Figur 3 visas ett uppmätt tryckförlopp från 4 cykler (dock under helt andra 

förhållanden) bara för att ge en känsla av hur verkliga, enskilda cykler ser ut 3 . 


70 

65 

60 

55 

50 

45 

C1 

C2 

C3 

C4 

360 365 370 375 380 

CAD 

Heat release [J/step] 

60 

40 

20 

0 

Mea. 

Sim. 

Kin20−C8H18 

330 340 350 360 370 380 

CAD 

Figur 3 Tryckförlopp för 4 enskilda cykler vid ett och samma driftsfall. Till höger visas 

simulerad och uppmätt värmefrigörelse. 

Sedan när man jämför simulering med experiment så blir det med denna typ av modeller inte 

alltid så bra. I det här fallet (Figur 3 och Figur 4) predikteras tidpunkten för 

huvudförbränningen förhållandevis bra. Kinetiken ger dock en 2-stegsförbränning vilket inte 

kan ses i mätningarna. Där kan finnas en flerstegsprocess även i verkligheten men spår av 

detta kan ha suddats ut p.g.a. viss inhomogenitet och zonbildning i den verkliga motorn. Här 

2 Simulering av SCANIA DSC12 i HCCI drift, 1500rpm, λ = 2.5 Naturgas, 2bar i insug och avgasrör (för sim. 

av turboladdning). Detta motsvarar ca 100kW och en axelverkningsgrad på 41.5% 

3 Uppmätt tryckförlopp i Volvo TD100 motor, 1000 rpm, λ = 2.9 Isooktan, 1bar i insug och avgasrör

har värmeöverföring och insugstemperatur justerats i simuleringen för att ge en god 

överensstämmelse i tryck under kompressionsslaget (innan förbränningen). Det bör påpekas 

att temperaturen för mätningen är uppskattad och i själva verket inte uppmätt. Den är bestämd 

genom att anta en temperatur då insugsventilen stänger och sedan beräkna den utifrån ideala 

gaslagen under kompression, förbränning och expansion. 


70 

60 

50 

40 

30 

20 

Mea. 

Sim. 

Kin20−C8H18 

330 340 350 360 370 380 

CAD 

Temperature [°C] 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

Kin20−C8H18 

Mea. 

Sim. 

320 340 360 380 400 420 

CAD 

Figur 4 Tryck och temperatur. Notera att temperaturen för mätningen är uppskattad. 

Mätningen är också medelvärdesbildad av ca 100 cykler.

Termodynamiska data för luft-vattenblandningar 

vid höga tryck 

2002-02-22 

Projekt nr: P11762-2 

Projektledare: Professor Jinyue Yan 

Kemiteknik/Energiprocesser, KTH, 100 44 Stockholm 

tel 08-790 6528, fax 08-723 0858, yanjy@ket.kth.se 

Projektdeltagare: Xiaoyan Ji, Jinyue Yan, Mats Westermark 

Etappens varaktighet: 2001-09-01 till 2003-03-31 


Referensgrupp: Geir Owren, NTNU (fadder), Lars Sjunnesson, Sydkraft 

(fadder), Rolf Gabrielsson, Kontaktperson Volvo Aero 

Corporation 

Projektbeskrivning (Project description): 

Evaporative gas turbine (EvGT), or Humid Air Turbine (HAT) cycle, has features of 

high efficiency, low cost and low emissions because of the use of evaporative 

humidification in combination with integration of heat recovery. Reliable data for the 

thermophysical properties of the air-water mixture are necessary for the design of the 

EvGT systems. However, there is a significant gap in the knowledge of 

thermodynamic properties of air-water mixtures at high pressures. The primary goal 

of this project is to investigate thermodynamic properties of air-water mixtures at high 

pressures (up to 40 bar). The results of the project will provide appropriate methods to 

calculate the properties of water-air mixture, which is very important for the 

development and demonstration of the EvGT technology. This project is also of high 

scientific value to fill in the knowledge gap of air-water mixture properties at high 

pressures. 

Projektets mål (Project goal): 

The primary goal of the whole project is to develop a more accurate method for 

calculation of water-air mixtures at high pressure (up to 40 bar). The reliable data will 

be used for design of EvGT systems. Another goal is to fill in the knowledge gap of 

thermophysical data for water-air mixture at high temperature and pressure. 

The existing data and calculation methods for calculating thermophysical properties 

of the water-air mixture were reviewed. A new model was proposed and verified by 

the abundant experimental data of the nitrogen-water and oxygen-water systems in 

order to predict thermodynamic properties of the water-air mixture reliably. Prediction 

results of the proposed model were compared with the available experimental data 

and those calculated with other models. 

The whole project has planned for four years. In this phase (etapp 2) of the second 

period of 1.5 years, following tasks are performed: 

1. Follow the R&D in this area and make complete survey of existing data and 

methods for the air-water system. Meanwhile, the available experimental data for 

the nitrogen-water and oxygen-water systems were also surveyed.

2002-02-22 

2. New model proposed based on the abundant experimental data of the nitrogenwater 

and oxygen-water systems. 

3. Verification of the new model by comparing the calculation results with the 

available experimental data and those calculated with other models. 

4. Preparation of experiment including the laboratory locations and equipment. 

Prefer making the experiment abroad with the existing equipment. 

Within the whole period of project, a Lic or PhD (with more time) is planned to be 

finished. 

Uppnådda resultat (Results): 

1. Experimental data and calculation methods evaluation (Paper I): 

In the literature study, comprehensive experimental data and property calculation 

methods for the air-water system have been surveyed. Due to the lack of the 

experimental data at elevated temperature, it becomes important to investigate 

evaluation of the different calculation methods. A method with a common basis for 

calculating the thermodynamic properties of the air-water system by using three types 

of models (an ideal model, an ideal mixing model and a real model) was developed. 

The results have been compared to find the appropriate model with its accuracy of 

reliable temperature and pressure. Following conclusions were made from the 

literature survey: 

Experimental data of the air-water system are meager, the temperatures are below 

 

75°C. Furthermore, most of them are enhancement factors. For enthalpy, no 

experimental data for the air-water mixture has been determined. Thus new 

experimental data at high temperature are needed. 

The ideal and ideal mixing models can be used to calculate saturated vapor 

 

composition when the pressure is less than 10 bar and the temperature is higher 

than 280 K. For the calculation of enthalpy, the deviation between these two 

models is very high. It implies that the consideration of the non-ideal of the pure 

species may cause a large difference between enthalpy calculations. Meanwhile, 

the vapor composition has a large effect on the enthalpy calculation results. 

All existing real models are based on the virial equation in which the parameters 

 

are correlated from experimental data or estimated from theory. For the air-water 

system, the available experimental data are only valid up to 75 °C, therefore, the 

reliability of the real models at high temperatures cannot be considered. Careful 

extrapolation is required. 

Experimental data for the nitrogen-water and oxygen-water systems are abundant. 

 

Furthermore, properties of air are similar to those of the nitrogen-oxygen mixture. 

It might be a "short-cut" for developing models for the air-water system at 

elevated temperature and pressure by using the experimental data of nitrogenwater 

and oxygen-water systems. 

2. New model and the verification (Papers II-V): 

A new thermodynamic model was proposed in which the dry air was assumed to be 

the mixture of nitrogen and oxygen with the mole fractions of 0.7812 and 0.2188, 

respectively. Fugacity coefficients were calculated with the modified Redlich-Kwong 

equation of state. The dissolved gas followed Henry’s law and activity coefficients of

2002-02-22 

liquid components were assumed to be unity. The Henry’s constant of nitrogen in 

water was calculated from the Helgeson equation of state. A new Henry’s constant of 

oxygen and a new interaction parameter between molecular oxygen and water were 

correlated from the available experimental data of the oxygen-water system. 

The new model was verified by the available experimental data of the nitrogen-water 

and oxygen-water systems. The prediction results for the air-water system were 

compared with the available experimental data and those calculated with other 

models. It is shown that: 

The new proposed model is feasible to calculate thermodynamic properties 

 

reliably for the nitrogen-water and oxygen-water systems up to 300 °C and 200 

atm. The deviation of the calculation results from the available experimental data 

is within the experimental error. 

The prediction results of the proposed model are accurate with the deviation 0.35 

 

% from the experimental data of the air-water system. Therefore, it is reasonable 

to predict thermodynamic properties of the air-water system reliably with the 

model which calculates thermodynamic properties for the nitrogen-water and 

oxygen-water systems accurately. Furthermore, the application range of the 

proposed model may be up to 300 °C and 200 bar based on the verification in the 

nitrogen-water and oxygen-water systems. 

Prediction results of the new proposed model are better than those calculated with 

 

the model of Rabinovich and Beketovl, and the application range is wider than 

that in the model of Hyland and Wexler. Furthermore, in the previous models, 

parameters were correlation from the experimental data of the air-water system. 

However, in the new proposed model, no additional parameter was added in order 

to predict thermodynamic properties for the air-water system. 

3. International Cooperation 

In cooperation with Alstom for applying for a new EU project (AA-CAES: 

 

Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) which has been sent for 

application in last December. The project will start in year 2003 if EC approves it. 

In cooperation with Shanghai Jiaotong University and Tianjin University for 

 

experimental study, and building the database of the water-air mixture. 

4. Submitted papers: 

I. Ji, Xiaoyan; Lu, Xiaohua; Yan, Jinyue. Experimental data and calculation 

methods of saturated properties for the air-water system at elevated 

temperature and pressure. Submitted for publication in J. Chem. Eng. Data. 

2002. 

II. Ji, Xiaoyan; Lu, Xiaohua; Yan, Jinyue. Saturated humidity, entropy and 

enthalpy for the nitrogen-water system at elevated temperature and 

pressure. Submitted for publication in Int. J. Thermophysics. 2001 

III. Ji, Xiaoyan; Lu, Xiaohua; Yan, Jinyue. Temperature and pressure 

dependent thermodynamic properties for the oxygen-water system up to

2002-02-22 

elevated temperature and pressure. Submitted for publication in AIChE. J. 

2002. 

IV. Ji, Xiaoyan; Yan, Jinyue. Saturated thermodynamic properties for the airwater 

system at elevated temperature and pressure. Submitted for 

publication in Ind. Eng. Chem. Res. 2002. 

V. Ji, Xiaoyan; Yan, Jinyue. Humidity, enthalpy and entropy for the humid air 

form 298 to 573 K and up to 200 bar, Submitted for publication in The 16 th 

European Conf. for Thermophysical Properties. London, Sept. 1-4, 2002. 

Slutsatser. Utfall i relation till ursprunglig målsättning (Conclusions): 

New experimental data for the air-water system at higher temperature and pressure 

 

are needed in order to verify the new model further. 

New proposed model is better than other available models based on the 

 

comparison with the available experimental data. 

Behov av fortsatta forskningsarbeten (Future work): 

Make experiment based on the existing experiment facility with minor 

 

modification. The measurement data range should be over the existing 

experimental data (

Dimensionering av befuktare för evaporativa gasturbincykler 

Projekt nr: P7013-4, Avslutat 

Projektledare: Prof. Mats Westermark 

Projektdeltagare: Doktorand Farnosh Dalili (100 %) 

Projektets varaktighet: 1996-04-01 till 2001-03-31 


Referensgrupp: Fadder: Ulf Rådeklint (Alstom Power) 

___________________________________________________________________________ 

Projektbeskrivning 

Evaporativa gasturbiner (EvGT) för kraftproduktion har under de senaste åren tilldragit sig ett 

starkt ökande intresse. Denna kraftprocess har goda möjligheter att kraftigt förbättra 

verkningsgraderna i mindre gasturbiner där kombicykler inte är tekniskt eller ekonomiskt 

möjligt. För mindre gasturbiner (ca 1-20 MW el) beräknas elverkningsgraderna för EvGT bli 

ca 45-50 %, vilket bör göra EvGT konkurrenskraftig i jämförelse med dieselmotorer. För 

större gasturbiner (ca 20-100 MW el) bör EvGT kunna ge 50-55 % elverkningsgrad vilket är 

jämförbart med verkningsgrader för kombicykel. Glädjande nog är Sverige bland de ledande i 

kunskapsutvecklingen, delvis med tanke på EvGT pilotanläggningen vid LTH. 

Befuktning av gaser (främst luft) är ett processteg med avgörande betydelse för evaporativa 

cykler. Befuktarens unika egenskap i en kraftcykel är att vatten kan förångas även vid 

temperaturer under kokpunkten (vid aktuellt totaltryck). Detta beror på att vattenångan i 

befuktare späds ut med luft och att gränsen för förångningen sätts av den relativa fuktigheten i 

luften i stället för av kokpunkten för vattnet. Med hjälp av befuktare kan man därför ta tillvara 

även energiinnehållet inom det lägre temperaturområdet i avgasen från en gasturbin. Detta 

förklarar på ett populärt sätt varför evaporativa cykler kan återvinna avgasvärmet bättre och 

kan ge betydligt högre verkningsgrader än STIG-cykler. 

Ännu är dock befuktning av luft vid höga tryck och temperaturer nytt som processteg i gasturbiner. 

Därför finns behov av försöksanläggningar för att erhålla experimentella data som 

dimensioneringsunderlag. Däremot finns omfattande industriell erfarenhet för befuktning av 

luft vid atmosfärstryck och relativ låga temperaturer. Som kända tillämpningar kan kyltorn 

samt befuktning av intagsluft för förbränningsanläggningar vid rökgaskondensering nämnas. 

Båda dessa tillämpningar utförs dock vid atmosfärstryck och vid temperaturer betydligt under 

100°C (normalt under 50°C). 

För evaporativa kraftcykler kommer väsentligt annorlunda driftförhållanden att vara aktuella. 

Extrapolation av data från känd utrustning bedöms inte kunna tillämpas. Det är nödvändigt 

med speciell utrustning av bland annat följande skäl: 

• Hög arbetstemperatur (150-250°C) gör att konventionella kyltornsfyllningar måste ersättas 

med metalltuber, fyllkroppar av metall eller kontinuerliga fyllningar av metall. 

• Extremt låg medstänkning av vattendroppar i gasfasen måste uppnås, eftersom salter i 

vattnet medför korrosion- och beläggningsrisker i rekuperator och gasturbin. 

• Högt arbetstryck (upp till 40 bar i flygderivat) gör att densitet för gasfasen ökar med faktor 

10-40 jämfört med atmosfärisk befuktning. Detta påverkar avsevärt 

strömmningsbetingelserna i befuktaren.

• Höga skillnader i temperatur och volymflöde längs befuktaren. I vissa tillämpningar är 

volymflödet dubbelt så stort i toppen som i botten (p g a ökad befuktning och ökad 

temperatur). 

• För indirekteldade evaporativa cykler blir även andra gaser än luft aktuella (vätgas eller 

helium ger förbättrad värme- och materieöverföring). 

Befuktarriggen vid KTH uppfördes och intrimmades i början av 2000 och är för närvarande 

under operation. Riggen innefattar inte gasturbindelen utan den trycksatta luften produceras 

av en kompressor och regleras ner till önskvärt tryck. Befuktaren består av en vertikal tub av 

syrafast stål. På insidan av tuben strömmar den trycksatta luften uppåt medan en fallande film 

av vatten rinner neråt längs tubväggen. Värmebehovet för befuktningen tillförs dels genom att 

vattnet värms, dels genom att varm luft leds på utsidan av befuktningstuben. 

Projektets mål 

Det övergripande målet kan sammanfattas enligt följande: ”att teoretiskt och experimentellt 

studera dimensionering av olika typer av befuktare för evaporativa gasturbincykler”. 

Omfattande försök har utförts. Erhållna resultat används för utvärdering av lämpligt 

belastningsområde för befuktartuben. Befuktarens prestanda (materie- och värmeöverföringstal) 

samt antal överföringsenheter har uppmäts vid olika relevanta tryck och belastningar. 

En doktorsexamen kommer att avläggas under augusti 2002. 

Uppnådda resultat 

Experiment för 10 och 20 bars tryck har slutförts. Uppmätta resultat har visat sig stämma bra 

överens med den teoretiska beräkningsmodellen som togs fram under arbetets gång. Dessa 

resultat används som dimensioneringsunderlag. Samarbete pågår med EvGT projektet. 

Resultat från fyllkroppsbefuktaren i Lund har utvärderats och jämförts med tubbefuktaren. 

Publikationer 

1. EXPERIMENTAL STUDY ON HUMIDIFICATION OF COMPRESSED AIR (20 bars) 

IN A TUBULAR HUMIDIFIER Farnosh Dalili, Mats Westermark, under preparation. 

2. EXPERIMENTAL STUDY ON PACKED BED HUMIDIFIER IN AN EVAPORATIVE 

GAS TURBINE Farnosh Dalili, Mats Westermark To be presented at IJPGC 2002 

Conference, Phoenix, Arizona, USA, 23-26 June 2002. 

3. FIRST EXPERIMENTAL RESULTS ON HUMIDIFICATION OF PRESSURIZED AIR 

IN EVAPORATIVE POWER CYCLES Farnosh Dalili, Mats Westermark 

IECEC 2001 Conference, Savannah, USA, July 29-August 2, 2001. 

4. THE IMPACT OF THERMODYNAMIC PROPERTIES OF AIR-WATER VAPOR 

MIXTURE ON DESIGN OF EVAPORATIVE GAS TURBINE CYCLES Farnosh Dalili, 

Martin Andrén, Jinyue Yan, Mats Westermark, ASME TURBO EXPO 2001, New 

Orleans, USA, June 4-7, 2001. 

5. SYSTEM ANALYSIS OF PART-FLOW HUMIDIFIED CLOSED CYCLE GAS 

TURBINES FUELED BY BIOMASS Mikael Ahlroth, Farnosh Dalili, Marie Anheden 

ECOS 2000, University of Twente, The Netherlands, July 5-7, 2000. 

6. DESIGN OF TUBULAR HUMIDIFIERS FOR EVAPORATIVE GAS TURBINE 

CYCLES Farnosh Dalili, Mats Westermark, ASME TURBO EXPO 1998, Stockholm, 

Sweden, June 2-5, 1998.

Slutsatser. Utfall i relation till ursprunglig målsättning 

Som bekant uppstår en del komplikationer i samband med experimentellt arbete. Detta projekt 

är inget undantag vilket har medfört förseningar. Många försök har utförts. Just nu pågår 

utvärdering av uppnådda resultat. Dessa resultat och slutsatser har sammanfattats i 2 artiklar. 

Parallella studier ur ekonomisk synvinkel och i samband med dimensioneringsarbetet visar att 

en tubbefuktare i en evaporativ gasturbin är en fördelaktig investering jämfört med den mer 

konventionella fyllkroppsbefuktaren, speciellt om gasturbinen är mellankyld. 

Behov av fortsatta forskningsarbeten 

Pågående projekt är förmodligen första i sitt slag när det gäller studie av uppfuktning av luft 

vid höga tryck och temperaturer. Därmed finns det utrymme för förbättringar baserade på 

utvunna erfarenheter. Den tydliga trenden i gasturbinutvecklingen är högre tryckförhållande 

och inloppstemperatur, och till och med introduktionen av evaporativa gasturbiner, högre 

fukthalt i arbetsmediet. Studie av uppfuktning av andra gaser än luft (helium, CO2, etc) är 

också intressant till exempel i slutna gasturbincykler. Samarbete med andra projekt, till 

exempel Termodynamiska data för luft/vattensystem är nödvändigt för att uppnå pålitliga 

resultat. Befuktarens optimala utförande och placering i en gas turbin cykel är under 

diskussion.

Max. 60 kW 

Mass flow 

meter 

El. heater 

max. 30 kW 

Flow meter 

Air 

Max 0.2 kg/s 

El. heater 

Water tank 

Water 

mist 

eliminator 

Max. 3 kW 

El. heater 

Pressure air 

container 

Cooling water 

Condenser for water 

recovery 

Mass flow meter 

Filter 

Filters 

Valve for 

flow control 

Compressor 

40 bar 

0.1 

kg/s 

To vent. 

Silent filter

Rekuperatorer för Gasturbinanläggningar 


Projektledare: Professor Bengt Sundén 

Projektdeltagare: Tekn lic Xiufang Gao, doktorand; Daniel Eriksson, Senior forskare 


Beviljade medel: 725 000 kr 

Referensgrupp: Lars Sundin, VAC LMGT, Malmö, Gunnar Lagerström, Strategic 

Technologies International (Svenska Rekuperator AB), Leif 

Hallgren, Alfa Laval Lund, Lund, Rolf Gabrielsson (Fadder), 

VAC LMGT, Trollhättan, Max Xie, Svenska Rekuperator AB 

___________________________________________________________________________ 


För hela projektperioden, dvs 990401 – 2002-03-31, avser projektet kunskap- och 

kompetensutveckling om rekuperatorer vilka är strategiskt viktiga komponenter för 

gasturbinanläggningar. Sådan kunskap och kompetens är av stort värde då nya och effektivare 

arbetscykler för elproduktion samt kombinerad el- och värmeproduktion utvecklas. 

Problemområden som omfattas i föreliggande etapp är: 1) strävan mot kompakta 

rekuperatorer, dvs stor värmeöverförande yta per volymsenhet och/eller hög värmeeffekt per 

volymsenhet, 2) krav på höga värden på värmeövergångskoefficienter kombinerat med låga 

tryckfall, 3) stor olikhet i volymström på luft- resp. gassidan, 4) beläggningar (fouling) som 

kräver att ytorna antingen måste hållas rena eller kan rengöras på adekvat sätt, 5) materialval 

och tillverkningsteknik. Det senare är särskilt viktigt om serieproduktion av små och 

medelstora enheter kommer tillstånd. 

Numeriska beräkningar av den termisk hydrauliska prestandan (strömnings- och 

temperaturfält) med s.k. CFD-metodik är väsentligt inslag likväl som kompletta 

värmeväxlarberäkningar. Utredning om experimentella undersökningar ingår också. 


Målen för det sista året (1 april 2001 –31 mars 2002) i denna etapp formulerades enligt: 

• utarbeta ett detaljerat experimentellt projektförslag med syftet att möjliggöra verifiering av 

de teoretiska resultat som beräknats under de närmast föregående åren. Speciellt intressant 

är s.k. primary surface – konfigurationer (t. ex. korskorrugerade ytkonfigurationer) vilka 

lämpar sig för tillverkning i stora serier. 

• förberedande tester av mätmetodik. Såväl termiska som strömningstekniska mätningar är 

nödvändiga då verifiering av numeriska beräkningsmetoder skall ske. Modern teknik som 

LDV och PIV samt flytande kristall – teknik är aktuella. 

• kompletterande analys av kors-korrugerade värmeöverförande ytor. Dessa har i en 

jämförande studie (från föregående års projektarbete) visat sig mycket lovande. För sådana 

av s.k. chevron-typ (Alfa Laval m fl) finns vissa korrelationer för termisk-hydrauliska 

prestandan tillgängliga i litteraturen medan för sådana som Svenska Rekuperator lanserar 

saknas sådana samband.

• genomförande av värmeväxlare-beräkningar för rekuperatorer med utökad 

parametervariation i förhållande till de beräkningar som hittills genomförts. 

• färdigställande samt revidering (efter internationell review) av de tidskrifts- och 

konferenspapers som utarbetats/utarbetas. 

• kompletterande analys av försmutsningsproblematikens relevans för rekuperatorer. 

Hänsyns-tagande till bränsletyp. 

Tid- och arbetsplan 

Denna del av projektet utgjorde den sista i etapp 2. Den förlöpte från 1 april 2001 till 31 mars 

2002. Doktorand Xiufang Gao har varit verksam som forskarstuderande under denna period 

av projektet. Hon avlade tekn lic –examen under vt 2001 inom ett närliggande och relevant 

experimentellt projekt. Innehållet i denna del av rekuperator-projektet har passat väl in i 

hennes forskarutbildning. Hon beräknas kunna disputera tidigast i december 2002 men mest 

sannolikt under vt 2003. 

På grund av att projektet också bytt karaktär från tillämpad numerisk undersökning baserad på 

s.k. CFD teknik för värmeväxlarekanaler till teori/metodik och övergripande värmeväxlareberäkningar 

samt experimentella undersökningar, har Dr Daniel Eriksson verkat som 

seniorforskare (tillika bitr handledare). 

Andra medarbetare har också om än i begränsad omfattning bidragit till projektets framfart. 

Metodik och angreppssätt 

Under projektets tredje år har omfattande arbete nedlagts för att ta fram ett förslag till testrigg 

och lämpliga mätmetodiker för experimentell undersökning av prestandan för några lovande 

ytkonfigurationer. Detta inkluderar överslagsberäkningar för dimensionering, flödesmätning, 

tryck och temperaturnivåer etc. Vidare har delar av den planerade mätmetodiken och 

utvärderingsförfarandet uttestats. Samverkan och diskussioner med Alfa Laval Lund har här 

ingått. Vidare har värmeväxlarberäkningarna fortsatt och vidareutvecklats. 


Under året har införts olika godhetstal för bättre jämförelse mellan de värmeöverförande 

ytorna. För de slutliga beräkningarna koncentrerades analysen till korskorrugerade kanaler 

(CC-kanaler) emedan dessa visade sig mest lovande. De senaste beräkningarna har visat att 

för att klara begränsningarna i tillåtna tryckfall måste den hydrauliska diametern vara större 

än 2 mm och vidare så måste tryckfallen i inlopps- och utloppssektionerna omsorgsfullt 

beaktas. Detta senare har påbörjats. 

Möjligheterna till experimentella undersökningar har undersökts och omfattande 

utredningsarbete har gjorts under det senaste året med avsikten att dels utarbeta ett förslag till 

provanläggning och dels föreslå och testa ut olika mätmetodiker (PIV = particle image 

velocimetry, LDV = laser doppler velocimetry, LCT = liquid crystal thermography) för 

genomförande av experimenten. Dimensionering av rigg, analys av mätområden för givare etc 

jämte utvärderingstekniker har studerats. Tankegången är att experiment skall utföras för 

korskorrugerade kanaler (CC-kanaler). I en särskild detaljerad rapport presenteras detaljer av 

denna verksamhet. Samverkan med Alfa Laval Lund (Leif Hallgren, Martin Holm, Ralf

Blomgren) har skett här och viss assistans och support kan sannolikt fås härifrån då ytor skall 

tillverkas och mätningar genomföras. 


Sista året i denna etapp har uppnått målsättningarna men innehöll inga kvantitativa slutliga 

mätningar (helt enligt planen) utan dessa förväntas kunna utföras i ett fortsatt projekt om i alla 

fall minst ett års omfattning. 


Inom ramen för projektet har inga definitiva experimentella undersökningar kunnat 

genomföras. Det är självfallet angeläget att så kommer att ske åtminstone i begränsad 

omfattning, ca 1 år borde vara minimum. Intresset för rekuperatorer fortsätter att vara stort 

bland de flesta gasturbinutvecklare och behovet av högskoleforskning för att stödja den 

inhemska industrin blir än mer uppenbart emedan intresse nu finns inom flygande gasturbiner 

också. I den senare tillämpningen är dock kravspecifikationer och förutsättningar annorlunda 

men utmanande. 

Ett problem som hittills inte ägnats så stort utrymme är in- och utloppssektionerna. 

Beräkningsmässigt måste dessa även analyseras Utförandet och den termisk-hydrauliska 

karakteristiken är också väsentliga emedan små och kompakta rekuperatorer tenderar att bli 

relativt korta i strömningsriktningen. En inledande studie har påbörjats under projektets tredje 

år men denna behöver utvidgas och fullföljas. 

Referenser relaterade (till denna etapp) 

L. Wang, B. Sunden, Performance comparison of some tube inserts, Int. Comm. Heat Mass 

Transfer, Vol. 29, No 1, 45-56, 2002. 

E. Utriainen, B. Sunden, Evaluation of the cross-corrugated and some other candidate heat 

transfer surfaces for microturbine recuperators, ASME J. Engn for Gas Turbines and 

Power, Vol. 124, April 2002 (accepted for publication). 

X. Gao, B. Sunden, Heat transfer and pressure drop measurements in rib-roughened 

rectangular ducts, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 24, Nos 1-2, 25-34, 2001. 

E. Utriainen, B. Sunden, A numerical investigation of primary surface rounded cross wavy 

ducts, Heat and Mass Transfer (Wärme- und Stoffubertragung), 2002. 

B. Sunden, M. Faghri, Heat Transfer in Gas Turbines, WIT Press, Southampton, UK, 2001. 

R. Jia, B. Sunden, Y. Xuan, Design and optimization of compact heat exchangers, in 

Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries – 

2001 (Eds. R.K. Shah, A.W. Deakin, H. Honda, T.M. Rudy), 135-142, 2001, Begell House, 

Inc.

Metoder för analys och optimering av termiska kraftverk 


Projektledare: Prof. Mohsen Assadi 

Projektdeltagare: Doktorander Kristin Jordal, Jaime Arriagada, Pernilla Olausson 

(100%), doktorander Fredrik Hermann och Ulf Engdar (50%) 


Beviljade medel: 6 171 Kkr 

Referensgrupp: Ulf Rådeklint, Alstom Power (fadder), Lars Sjunnesson, Sydkraft 

(fadder) 

___________________________________________________________________________ 


Projektet syftar till att öka kunskap nödvändig för analys, optimering, utveckling och 

konstruktion av ny teknik för bränslebaserad elproduktion. Kunskapen om metoder för statisk 

och dynamisk beräkning av kraftcykler skall utvecklas och kommersiella analysverktygens 

möjligheter och begränsningar skall kartläggas. Även metodik för att belysa drift och 

underhållsfrågor och deras betydelse för moderna anläggningars tillgänglighet och ekonomi 

kommer att studeras och utvecklas inom ramen för detta projekt. 


Övergripande mål för projektet är: 

- att utveckla kunskaper avseende metoder för analys och optimering av termiska kraftverk 

- tre doktors- och tre licentiatexamina 

- att gruppen skall utgöra ett internationellt kunskapscentrum inom aktuellt område. 

Mohsen Assadi och Kristin Jordal har avlagt doktorsexamina i oktober 2000 resp. maj 2001; 

Jaime Arriagada och Pernilla Olausson har avlagt licentiatexamina i december 2001 och 

Fredrik Hermann och Ulf Engdar kommer att avlägga licentiatexamina hösten 2002. 

Uppnådda resultat: 

Teoretiska metoder (A) består av 6 delområden: 

Dynamisk simulering: Ambitionen är att komplettera komponentbiblioteket med matematiska 

modeller för dynamisk simulering. Preliminära resultat från användningen av Artificiell 

Neural Nätverk (ANN) för dynamisk simulering av EvGT-anläggningen föreligger. 

Generalisering till kompletta kraftverksanläggningar pågår. 

För att jämföra resultat från dynamiska beräkningar utförda med ANN, med resultat från 

dynamiska verktyg baserade på fysikaliska modeller, har ett samarbete med institutionen för 

reglerteknik på LTH inletts. På institutionen för Reglerteknik finns nämligen redan ett verktyg 

för dynamisk beräkning. Verktyget som är resultat av flera års forskning kompletteras för 

närvarande med dynamiska modeller för komponenter förekommande i EvGT-anläggningen 

för att möjliggöra en jämförelse.

Expertsystem baserat på ANN: Metoden har redan använts för normalisering av data samt 

generering av prestandakurvor för såväl enkel gasturbin som EvGT-anläggningen i Lund. 

ANN har också använts för sensorvalidering och känslighetsanalys och kommer 

fortsättningsvis att användas för feldiagnostik och övervakning av gasturbindegradering för 

bl. a. EvGT-gasturbinen, GTX100 i Helsingborg, en GE-Frame 7 i USA, Malmö värmes 

värmepannor samt Turbecs mikroturbiner. 

Dellastberäkningar: En generell matematisk metod för dellastberäkningar har utarbetats. 

Dellastmodeller som används i värmebalansprogrammen kompletteras och förbättras m.h.a. 

data från verkliga anläggningar. Även användning av ANN för generering av dellastmodeller 

för kraftverkskomponenter ska utvärderas. 

Strålningens betydelse vid gasturbinkylning: Skovelkylningens betydelse för anläggningens 

totalverkningsgrad och ekonomi har modellerats. Anläggningsdata, speciellt från 

Helsingborgsmaskinen, har använts för validering av modellerna. Även betydelsen av 

gasturbinkylning för komponentlivslängd och anläggningsunderhållskostnader samt 

totalekonomin studeras. Effekten av gas strålningen har inkluderats i kylmodellerna. 

Exergi analysmetoder, termoekonomi och livscykelanalys: Pinch- och exergianalys på en 

IGHAT anläggning har genomförts. Matematiska komponentmodeller har kompletterats med 

exergiberäkningsrutiner i värmebalansprogrammet IPSEpro. Exergi- och termoekonomisk 

analys av en EvGT-anläggning har genomförts och en jämförande studie baserad på 

exergi/termoekonomikonceptet, där EvGT anläggningen jämförs med en konventionell 

kombicykel, har avslutats. Livscykelanalys applicerad på en hybridanläggning med 

bränslecell och gasturbin har genomförts. Studier av Split Stream Boiler har genomförts, med 

fokus på huruvida exergianalys kan förenkla/förbättra termoekonomiska prestanda. 

CFD beräkningar för ökad noggrannhet vid värmebalansberäkningar: 3D- modellering med 

CFD-verktyg för noggrannare studier på komponentnivå fortsätter. Både förbränning i 

fuktigluft och modellering av kompressorinloppet till GTX100 har studerats i CFD-program. 

För att generera randvillkor till dessa beräkningar genomförs laser mätningar på en 

brännkammare från Volvo Aero Turbine (VT40) i en atmosfärisk brännkammarrigg. Tester 

på en nedskalad kompressormodell till GTX100 kommer att genomföras under våren 2002. 

Validering av utvecklade metoder (B) består av följande delområden: 

Metoder för utvärdering av evaporativa gasturbiner: Såväl termodynamiska beräkningar som 

experimentella försök har utförts i EvGT-labbet i Lund. Anläggningen har utrustats med 

datainsamlings- och dataöverföringssystem för fjärrstyrning och kontroll. Data skickas via 

internät till såväl olika delar av LTH som till Newcastle University för on-line analys och 

feldiagnostik med hjälp av ANN. Utvecklade ANN-modeller utvärderas därmed mot 

insamlade data från EvGT-anläggningen. 

Experimentell validering av utvecklade modeller: 

1. Validering av utvecklade modeller har genomförts m.h.a. mätdata från EvGT gasturbinen 

samt andra mätdata som finns tillgängliga för forskargruppen. I syfte att tillmötesgå 

utvärderarnas önskemål om studier på komponentnivå, har 3D-analys av förbränning i 

fuktigluft samt kompressortvätt fokuserats på. Forskargruppen genomför laserbaserade 

mätningar på en VT40 brännkammare från Volvo i en atmosfärisk brännkammarrigg.

Mätresultaten används för validering av CFD modeller avsedda för noggrannare 

prediktering av emissioner samt bättre förståelse för bakomliggande mekanismer. 

2. Forskargruppen har också tillgång till mätdata från ett samarbetsprojektet med EPRI, 

finansierat av EPRI, Sydkraft och Elforsk, avseende övervakning av moderna gasturbiner i 

USA som kommer att fortsätta i ytterligare 3 år. Mätdata från en GE Frame7 kommer att 

finnas tillgängligt för utveckling av en ANN-modell. ANN- modellen ska integreras med 

EPRIs datainsamlingsprogram för fortsatt övervakning och kontroll av GE-maskinen. Det 

har skrivits flera interna rapporter inom ramen för EPRI-projektet, som inte kan lämnas ut 

p.g.a. sekretessavtal. 

3. Mätdata från ytterligare ett projekt, finansierat av SGC och Energimyndigheten, används 

för validering av modeller för skovelkylning, prestanda, utveckling av ANN/CMS, 3Dberäkningar 

för effektivisering av kompressortvätt och förbättring av 1D-modeller. GTX 

100 gasturbinen i Helsingborg togs i drift december 1999. En del mätdata har redan 

genererats och varit tillgängliga för forskargruppen och projektet kommer att pågå i ett år 

till. Diskussioner kring utformning av andra etappen av GTX-projektet på går. 

Tillämpningsexempel (C) består av 3 delområden: 

Nästa generation PFBC-anläggningar: Hybridanläggningar med koleldad PFBC och 

gasturbiner har studerats. Trots mycket intressanta resultat kommer projektet inte att fortsätta, 

eftersom utveckling och tillverkning av PFBC-anläggningar sker numera endast på licens 

utanför Sverige. 

Studier om nya cykler och arbetsmedier: Flera nya cykler för kraftproduktion har studerats. 

CO2 problematiken fokuseras det allt mer på pga. klimatförändringar världen över. EUprojektet 

Advanced Zero Emission Plants (AZEP), för fördjupad forskning kring CO2-fria 

processer med forskargruppen som en part påbörjades vid årsskiftet. 

Optimal biobränsleanvändning: Resultaten från studier inom området har publicerats. I ett 

examensarbete, genomfört vid institutionen, studerades möjligheterna till integrering av en 

biogaseldad gasturbin i ett befintligt biobränsleeldat kraftverk. Möjligheter att driva en HATcykel 

med biobränsle har också studerats. Här integreras en jäsningsprocess i själva HATcykeln. 

Forskarutbildningen följer planen. Två doktorsexamina och tre licentiat examina har avlagts 

(Mohsen Assadi, Kristin Jordal (PhD), Torbjörn Lindquist, Pernilla Olausson och Jaime 

Arriagada (Lic)). Paul von Heiroth avlägger doktorsexamen och Fredrik Hermann och Ulf 

Engdar avlägger licentiat examen under år 4. 

Verksamheten inom projektet och utveckling av kunskaper inom området har dessutom 

resulterat i att forskargruppen deltar i fem EU-finansierade projekt, nämligen AZEP, OMES, 

GTPOM, IM-SOFC-GT och MARPOWER. Projektet MARPOWER, där forskargruppen 

hade ledningsansvaret för gasturbinapplikationer till sjöss, avslutades vid årsskiftet. 

Diskussioner om nya gruppsammansättningar för fortsatt verksamhet pågår.

Slutsatser. Utfall i relation till ursprunglig målsättning: 

Projektet följer uppsatt plan, dvs. litteraturstudie inom olika områden har genomförts och 

modeller och verktyg har utvecklats. Under projekttidens första tre år har 45 vetenskapliga 

artiklar publicerats, ett antal interna rapporter skrivits och 26 examensarbeten genomförts. 

Behov av fortsatta forskningsarbeten: 

Planerad verksamhet för projektets första tre år, av totalt fyra, har nu genomförts. I 

fortsättningen kommer utvecklade modeller och verktyg att kompletteras och valideras. 

Genom att studera olika kraftverkskoncept samt existerande anläggningar, kommer 

potentialen hos både kraftverksalternativen och de utvecklade verktygen att kartläggs. 

Tidplan för examination 

1/4-99 1/4-00 1/4-01 1/4-02 1/4-03 

Mohsen Assadi Dokt. 

Kristin Jordal 

Dokt. 

Torbjörn Lindquist 

Lic 

Dokt. 

Pernilla Olausson 

Lic 

Jaime Arriagada 

Lic 

Fredrik Hermannn 

Ulf Engdar 

Lic 

Lic

Test av kraftvärmeaggregat för ett hushåll 

med biobränsleeldad stirlingmotor 


Projektledare: Gösta Amnell, Vattenfall Utveckling AB 

Projektdeltagare: Personal vid Vattenfall Utveckling AB 


Beviljade medel: 930 000 kr Energimyndigheten, 930 750 kr Vattenfall 

Utveckling AB 

Referensgrupp: Robert Ingvarsson (Janfire), (ytterligare 2-3 st skall rekryteras) 

___________________________________________________________________________ 

Projektbeskrivning (Project description and background): 

Stirlingmotorns egenskaper, bränsleflexibel och robust, är fördelaktiga för småskalig 

biobränslebaserad kraftvärmeproduktion. De enklare stirlingmotorerna har emellertid något 

låga elverkningsgrader (20-25 %), men det behöver inte vara en avgörande nackdel. En viktig 

egenskap är istället totalverkningsgraden. 

En typisk applikation för stirlingmotorn är bostadshus, där den i princip skulle kunna ersätta 

den befintliga värmepannan och där elproduktionen blir en bonus. Stirlingmotorns enkla 

konstruktion har också potential för sänkta tillverkningskostnader. 

De unika förutsättningarna i Sverige kan ge biobränslebaserad stirlingmotor bättre möjligheter 

än marknadsledande tekniker baserade på naturgas. De avgörande faktorerna är: 

• El och värme värderas, ur ett kundperspektiv, nästan lika. 

• Högre värmebehov än många andra länder. 

• Infrastruktur för leverans av biobränslepellet finns. 

• Konkurrenskraftiga pelletpriser. 

Erfarenheter och kunskap om stirlingmotordrift för småskaliga applikationer i bostadshus är 

begränsade och för att kunna utvärdera tekniken och anpassa den efter marknadens behov 

behöver drifterfarenhet byggas upp. 

Projektet omfattar två etapper: 

Etapp 1, installation- och intrimningsfas 

Upphandling av biobränsleeldad stirlingmaskin, installation, elinkoppling och intrimning. 

Maskinen instrumenteras för bl.a. mätning av verkningsgrader och emissioner. 

I dagsläget kan endast en maskin vara aktuell att införskaffa, nämligen den från Epas, av den 

enkla anledningen att de är de enda som kan visa upp en någorlunda färdig maskin för 

pelleteldning. Motorn är av gamma-typ med två vinkelställda cylindrar (90°). Generatorn, 

som har permanentmagneter monterade i svänghjulet, laddar batterier och ut till nätet 

levereras en perfekt sinusformad ström via en växelriktare. Eleffekten är för tillfället ca 0,8 

kW. 

Motorn har permanentsmörjning. Service krävs för byte av packning efter ca 10000h, vilket är 

en enkel operation. Total livslängd beräknas till 100000h. Konstruktionen har medvetet gjorts 

enkel eftersom den första tillämpningen var en soldriven motor för vattenpumpning i Afrika. 

Därför använder man luft som arbetsgas. Den påfyllda luften tillförs motorn via ett filter som 

tar bort fukt och reducerar luften på syre så att det nästan blir ren kvävgas. Trycket underhålls

med en vanlig luftpump (cykel, bil) genom påfyllning ca en gång/vecka. Ingen sofistikerad 

reglering krävs, utan när motorn går ger generatorn ström till batteriet. 

Behövd värmeeffekt från pelletpannan är ca 5 kW vid 1000W axeleffekt. Rökgasen behöver 

då vara ca 900 °C vid den varma värmeväxlaren. Efter värmeväxlaren är den ca 650 °C. Detta 

innebär att brännaren behöver ge 15 - 20 kW och att det finns minst 14 kW värme som måste 

tas om hand. Detta är inte ekonomiskt, men det finns ännu ingen färdig lösning för detta p.g.a. 

att det är tänkt att t.ex. fabrikanterna av pelletbrännare och pannor skall lösa detta. 

Den lösning som finns i dag är att stirlingmotorn placeras mellan brännaren och pannan i 

rökgasströmmen. Att det går att få en bättre lösning finns dokumenterat från andra maskiner. 

Dessa använder en förvärmare för förbränningsluften vilket sänker erforderlig effekt och 

rökgasernas temperatur ca 150 °C efter förvärmningen. 

För att komma runt ovanstående problem tills en bättre lösning står till buds kopplas 

stirlingmotorns kylvattenkrets så att ett bättre tillvaratagande av kylvattnets energi kan 

simuleras. Det görs så att systemgränsen läggs närmare maskinen som om det inte behövdes 

så stor brännareffekt. Överskottet kommer då att dumpas. Hur stor del av den tillförda energin 

från brännaren om skall tillhöra maskinen kan varieras. 

På detta sätt kan ett enskilt hushålls behov av el- och värmeenergi simuleras och motorns 

reaktion på förändrad last mätas. Även olika driftstrategier kan simuleras. 

Testriggen kan simulera el-, värme- och varmvattenlast. Den simulerade ellasten, som är både 

resistiv och induktiv, genereras genom in och urkoppling enligt typlastkurvor. 

Framledningstemperaturen i värmesystemet kommer att styras efter "utetemperaturen" och 

värmelasten kyls bort i en värmeväxlare som representerar husets värmesystem. Varmvattnet 

bereds i en varmvattenberedare och lasten simuleras via ett tidstyrt tappschema. 

Etapp 2, drift- och utvärderingsfas 

Under denna fas skall olika driftfall testas och då mäts bl.a. verkningsgrader, 

energitäckningsgrader, emissioner och lastföljningsegenskaper. Dessutom förväntas att 

erfarenheter kring elinkoppling och drift mot elnätet erhålls. 

Underlag för testerna kommer att vara lastprofiler för el från mätningar i ett småhus. 

Mätningarna utförs med en upplösning på 2 sekunder. Ur dessa mätningar tas typkurvor fram 

för behovet av hushållsel under olika perioder av ett driftår. 

Typkurvorna kommer sedan att användas för simulering av ett småhus i testriggen för 

elektrisk last. Samtidigt uppträdande värmelast simuleras i testriggen för värme och 

varmvatten. 

Olika driftstrategier kommer att provas för att finna en optimal strategi. För närvarande 

planeras följande driftstrategier: 

• F1 – ingen förvärmning. Fullt varvtal på motorn och ackumulering av värme och el vid 

samtidig drift av panna och motor. 

• F2 – ingen förvärmning. Motorns varvtal följer pannans drift mot värmebehovet. 

• F3 – simulering av kontinuerligt reglerbar förvärmning. Fullt varvtal på motorn så länge 

motorns kyleffekt underskrider värmebehovet. Därefter on/off drift mot ackumulator 

enligt F1

En rapport kommer slutligen att redovisa uppnådda resultat och sammanfatta de krav man bör 

ställa på ett kraftvärmeaggregat med stirlingmotor för ett enskilt hushåll. Utvärderings 

etappen förväntas på gå i sex månader. 


Projektet ska i förlängningen ge drifterfarenheter av en småskalig biobränslebaserad 

stirlingmotor och därmed förutsättningar att bedöma dess teknikmognad, eventuella 

driftproblem etc. Ett näraliggande mål är att få underlag för de krav som bör ställas på ett 

kraftvärmeaggregat med stirlingmotor för att det skall passa in i ett hus energisystem och de 

krav som aggregatet ställer för att fungera optimalt. 

Vidare skall projektet resultera i underlag för bedömning av stirlingmotorns marknadspotential 

och ekonomi. Kostnad per producerad kWhel är ett nyckletal som skall tas fram. 

I ett längre perspektiv kan kunskaperna och erfarenheterna bidra till omställning till ett mer 

ekologiskt uthålligt energisystem. 


Följande har hittills uppnåtts 

• Testriggen är projekterad till stor del 

• Motorn är beställd. Leverans utlovad till april, dvs. försenad med minst två månader. 

• Beställning av komponenter pågår 


Det finns risk att tidplanen förskjuts med två månader. 


För tidigt att yttra sig om.

Biobränslebaserad småskalig kraftvärme 


Projektledare: Prof. Torsten Fransson 

Projektdeltagare: Doktorand Marianne Salomón (100%) 



Referensgrupp: Torsten Fransson, KTH fransson@egi.kth.se 

Laszlo Hunyadi, KTH lhy@egi.kth.se 

Per Almqvist, KTH peralm@egi.kth.se 

Andrew Martin , KTH andrew@egi.kth.se 

Per Kallner, Vattenfall per.kallner@vattenfall.com 

Gunnar Hovsenius, Svensk Energi gunnar.hovsenius@elforsk.se 

Sven-Olov Ericson, Näringsdepartementet 

sven-olov.ericson@industry.ministry.se 

___________________________________________________________________________ 


This project is directed to study the different means for increasing the energy utilization of 

biofuels in different energy conversion processes, from a small-scale perspective. This 

introductory project will analyze the potential of biofuels in small-scale heat and power plants 

(up to 10 MWe) using different technologies, and will identify different possibilities and key 

points related to the use of these concepts. This pre-study will be the base for a more 

extensive investigation in the area of small-scale biofuel power plants. It will identify the 

possible improvements that will be analyzed in a later project aimed towards 

scientific/technical optimization studies. The results from the study will contribute to the 

development of sustainable policies for the use of biofuels in heat and power plants in 

Sweden, especially related to distributed systems. 


In this short-term study, the objective is to assess the possibilities and technical limitations for 

increased efficiency and energy utilization of biofuels in small size plants using various 

energy conversion technologies; proven concepts for large-scale fossil fuel plants are an 

especially important area. The analysis will be made a theoretical viewpoint and will identify 

the problems, technical limitations and different possibilities as recognized in the literature. 

Beyond published results, a qualitative survey is currently being conducted to gain first-hand, 

current knowledge from experts in the field. At best, the survey results together with the 

results of personal interviews will serve a guideline for future project directions and ideas. 

The results from the pre-study will be summarized in a report at the end of April 2002 and 

will include recommendations for future investigations and methods of analysis. 


The literature survey has been initiated. Conventional and novel technologies are included in 

the survey such as Stirling engines, combustion engines, gas turbines, steam turbines, steam 

motors, fuel cells and other novel technologies/cycles for biofuels. Special attention has been 

put on clearly distinguish benefits, possibilities and limitations for each one of the considered

alternatives. State-of-the-art heat and power plants have been identified to have a view of the 

advantages and disadvantages as well as possible obstacles for their implementation. 

A questionnaire was develop and sent to approximately 120 experts in Sweden. It included 

experts at energy related organizations such as research institutes, universities, energy 

producers, biofuel producers, equipment manufacturers, energy consultants and associations. 

The questionnaires results together with the findings of the literature survey will be the base 

for the discussion and evaluation of the different alternatives for cogeneration. Ideas and 

opinions provided by the experts will be considered carefully and will be discussed in the 

final report. Approximately 25% of the questionnaires have been answered and interesting 

ideas have already been suggested. 

Contact with other groups has been established, especially with Prof. Carl-Johan Fogelholm at 

Helsinki University of Technology. Currently, a Ph.D. student working on small-scale 

biomass heat and power plants (< 20 MWe) under the supervision of Prof. Fogelholm is at the 

Chair of Heat and Power Technology. This collaboration is done under the framework of the 

Nordic Energy Research Program (NEFP). The project funded by NEFP is focused on the 

alternatives of heat and power production from small power plants in Finland, with special 

emphasis on high power-to-heat ratios. Due to the similarities between the projects, close 

cooperation has been established between the Chair of Heat and Power Technology (KTH) 

and the Laboratory of Energy Engineering and Environmental Protection (HUT). 

Extremely valuable input has been obtained from the reference group. The reference group 

suggested keeping a broad view at this preliminary stage. Other suggestions presented by the 

reference group include: the apartment/office building sector as possible niche for small-scale 

CHP plants; grid stability issues; and critical driving forces such as CO2 taxes, green 

certificates and future electricity cost in an integrated European electricity market. 

A seminar will be organized in April 2002 for the CETET members (Center for Energy 

Conversion Technologies at KTH). The aim is to review the results obtained and discuss new 

ideas and possible applications of the different alternatives proposed. Another objective is to 

establish collaboration under the CETET framework with other divisions and departments in 

order to investigate issues related with small-scale applications such as grid stability and small 

district heating networks. 

Power plant visits will be organized at the beginning of April 2002 to collect technical and 

operational data about small-scale state-of-the-art power plants. Four graduate students from 

the Division of Heat and Power Technology and the visiting graduate student for HUT will 

participate in the visits. The result from theses visits will be included in the final report to be 

submitted at the end of April 2002. 


Although the literature review, qualitative survey and personal interviews are incomplete at 

this stage, some preliminary conclusions can be made. It is apparent that a broad approach is 

needed in identifying and optimizing the best solutions for the implementation of bio-fueled 

small-scale CHP plants. The findings from power plant visits will contribute to complement 

this broad approach and to define key issues from the operational point of view. The survey 

results so far have been promising. To date the pre-study has been successful in determining a 

wide range of potential technical solutions and in defining the criteria for future analysis.

These findings together with the discussions with CETET members, as well as 

recommendations for future research will be identified in the final report. 

Behov av fortsatta forskningsarbeten: 

A suggested study based on the results of the proposed project will widen the conventional 

field and investigate all the possible improvements in small-scale power plants using biofuels. 

The objective of this future work will be to make an assessment of possibilities for increased 

efficiency and energy utilization of biofuels in small size plants. The analysis will be made 

from the technical, thermodynamic, economic and environmental points of view through the 

use of an integrated thermoeconomic and environomic modeling. This approach includes 

modeling of the plant and its components and the analysis of the associated environmental 

aspects, thus rendering a complete view of power plant feasibility and possible impacts. This 

analysis will consider the most promising technologies identified in the pre-study. Therefore, 

it will be a complete evaluation of the thermodynamic, economic and environmental issues 

related with the application of the selected technologies in Sweden. The boundaries of the 

system will be established according with the results of the pre-study to emphasize the most 

sensitive issues than need to be solved in order to implement small-scale CHP plants. A 

project group will be suggested to study several issues associated with this concept.

Träpulvereldad 35 kW stirlingmotor för 

kraftvärmeproduktion 


Projektledare: Professor Gunnar Lundholm 

Projektdeltagare: Magnus Pålsson, senior forskare, Jan Erik Everitt, 

forskningsingenjör (50 %), Tommy Petersen, forskningsingenjör 

(15 %) 


Beviljade medel: 4 650 000 kr Energimyndigheten, 4 650 000 kr DESS, 100 000 kr 

Sydkraft AB och 1 050 000 kr Vattenfall Utveckling AB (eget 

arbete) 

Referensgrupp: Gösta Amnell (Vattenfall Utveckling AB), Erik Skog (Sycon 

Energikonsult AB), Henrik Carlsen (Danmarks Tekniske 

Universitet), Rolf Egnell (LTH), Magnus Pålsson (LTH) och 

Gunnar Lundholm (LTH). 

___________________________________________________________________________ 


Marknaden för småskalig eller distribuerad kraftvärme kommer att vara beroende av elprisets 

utveckling i relation till produktionskostnaden i en tekniskt mogen och kommersiell 

anläggning. I detta sammanhang kommer en låg anläggningskostnad att vara en viktig faktor. 

Låg anläggningskostnad kommer att vara kopplad till standardisering, produktionsoptimering 

och tillverkningsserier. 

Förutsatt att konceptet småskalig biobränsleeldad Stirling blir konkurrenskraftigt kan följande 

resonemang föras i fråga om möjligt utrymme för kraftvärme med denna teknik i Södra 

Sverige: 

Antaget underlag: 

Applikation Antal Totalt behov 

Trävaruindustrier 250 300 GWh 

Mindre industrier ? 150 GWh 

Mindre fjärrvärmesystem 20 200 GWh 

Blockcentraler 200 200 GWh 

Totalt underlag är då ca 850 GWh, varav 75 % skulle kunna utgöra energitäckningen med 

kraftvärme. Omräknat till värmeeffekt för basproduktion skulle detta innebära ca 150 MW. 

Om 10 % av denna effekt har de rätta förutsättningarna skulle detta kunna innebära 

hundratalet aggregat enbart i Södra Sverige. Med hela Sverige blir potentialen betydligt 

större. 

Stirlingmotorn är med sin externa förbränning mycket väl lämpad för direkteldning med 

biobränslen. Gashastigheten i dess brännkammare är tillräckligt låg för att inte bränslepartiklar 

skall erodera motorns värmeväxlare, och med hjälp av en rekuperativ förvärmare kan 

verkningsgrader i området 20 - 25 % uppnås för ett 35 kW el kraftvärmeaggregat. 

Vid Danmarks Tekniska Universitet (DTU) pågår sedan 10 år en forskning med syfte att ta 

fram stirlingmotorer lämpade för biomassaförbränning. Detta betraktas som den enda 

användbara tekniken för biobränslebaserad kraftvärme vid eleffekter upp till 200 kW. En 35 

kW stirlingmotor har utvecklats, som är speciellt anpassad för biobränsledrift, eftersom

stirlingmotorer för andra ändamål bedömdes olämpliga på grund av att de alltför lätt drabbas 

av igensättningar mellan flänsarna i värmaren. 

DTU-motorn kommer att serietillverkas fr.o.m. år 2003. Till detta projekt har det 

överenskommits att DTU tar fram en förseriemotor till LTH. DTU har fått god driftsäkerhet på 

själva motorn, som delvis har körts tillsammans med en kommersiell förgasningsanläggning för 

träflis. DTU tar fram en förseriemotor till det aktuella projektet och medverkar i anpassningen till 

träpulvereldning. 

När man i Sverige eldar biobränsle i mindre anläggningar sker detta främst med förädlade 

träbränslen såsom pellets eller pulver. Dessa bränslen är mycket lätta att hantera som 

bulkvara, dels beroende på sin låga fukthalt som gör förvaringen lättare och dels för att 

förvarings- och transportutrymmen minskar. Det är dessutom lättare att nå riktigt låga 

avgasemissioner med förädlade bränslen. Dock måste man, för att hålla 

förbränningstemperaturen under askans smältpunkt, vidta olika åtgärder som rökgasåterföring 

av kalla eller varma rökgaser, stegvis förbränning och eldning med luftöverskott. 

Vid avdelningen för Värmeöverföring har en förstudie i form av ett examensarbete 

genomförts under 1999 som via modellering med CFD-programmet STAR-CD studerade de 

olika åtgärderna för att minska förbränningstemperaturen. En geometrisk modell av 

brännkammaren byggdes upp och en förbränningsmodell för träpulverförbränningen skapades 

och implementerades i programmet. 

Slutsatserna av examensarbetet var att det är möjligt att sänka temperaturerna i de viktigare 

delarna i brännkammaren under askans smältpunkt utan att systemets verkningsgrad 

försämrades. Detta kräver dock åtgärder i form av betydande mängd rökgasåterföring, något 

som i och för sig inte innebär några större praktiska problem eftersom tekniken redan använts 

i många sammanhang. 

Arbetet, som utfördes av Katja Åström, fick Sydkrafts Forskningsstiftelses pris 1999 för bästa 

examensarbete. 

I detta projekt kommer en 35 kW stirlingmotor att värmas av en speciellt framtagen 

träpulverpanna. Arbetet sker i LTH: s motorlaboratorium. När anläggningen uppfyller rimliga 

krav på driftsäkerhet och prestanda, kommer den att överföras till Vattenfall Utvecklings 

laboratorium i Älvkarleby. 


Det övergripande målet är att demonstrera tekniken med en träpulvereldad 35 kWel 

stirlingmotor på LTH, köra anläggningen som en pilotanläggning mot varierande last i 

Vattenfall Utvecklings laboratorium i Älvkarleby samt bedöma marknadspotential och 

redovisa ekonomiska förutsättningarna för träpulvereldad stirlingmotor som kostnad per 

producerad kWh el. 

Uppnådda resultat, slutsatser, utfall i relation till ursprunglig målsättning och behov av 

fortsatta forskningsarbeten: 

En motor har beställts och ett första referensgruppsmöte har hållits på LTH.

Effektivare värmeväxlare i gasturbinsystem 


Projektledare: Professor Bengt Sundén 

Projektdeltagare: Tekn Dr. Daniel Eriksson (25 %), X doktorand (80 %), Faruk 

Selimovic doktorand (20 %) 


Beviljade medel: 3 155 000 kr Energimyndigheten (100 %) 

Referensgrupp: Kommer att utses inom kort 

___________________________________________________________________________ 


Projektets övergripande karaktär är kunskaps- och kompetensutveckling för effektivisering av 

värmeväxlare i form av mellankylare (intercoolers) eller after coolers (efterkylare) i 

avancerade gasturbinanläggningar för elproduktion, kombicykelanläggningar för el- och 

värmeproduktion (inklusive fuktiga arbetscykler) samt gasturbinsystem för framdrivningssystem 

i t. ex. fordon och fartyg. 

Projektet omfattar ett helhetskoncept men huvudintresset fokuseras på den termiskhydrauliska 

prestandan. Härvid kommer förutsättningarna för att erhålla och upprätthålla s.k. 

själv-oscillerande strömning med gynnsam relation värmeövergång kontra tryckfall att 

undersökas. Tillverknings- och driftsaspekter kommer att beaktas. 

Syftet är att ta fram underlag och metodik för utveckling och design av kompakta, effektiva, 

tåliga, tillförlitliga samt tillverkningsbara värmeväxlare vilka bidrar till en bestående positiv 

utveckling för energisystemet i allmänhet genom energieffektivisering och minskade 

emissioner. Det senare innebär att då optimal utformning av de värmeöverförande ytorna 

eftersträvas (primärt m.a.p. värmeöverföring och tryckfallsförluster), hänsyn tas till de krav 

produktionstekniken ställer. Innovativ utveckling och design är nödvändiga för att möta 

framtidens krav, vilket endast är möjligt med fördjupad kunskaps- och 

kompetensuppbyggnad. Inom ramen för projektet måste även anpassning ske till nya 

termodynamiska cykler, t. ex. våta cykler, inkluderande rekuperatorer/regeneratorer 

(värmeåtervinnare) och eventuella överhettare samt kombinat. Vidare kommer de krav miljö 

och nya eller alternativa bränslen ställer att beaktas. 

Olika värmeväxlarkoncept och ytkonfigurationer (inklusive olika turbulatorer) i 

förhållandevis trånga kanaler undersökes med avseende på termisk-hydraulisk prestanda. I 

vissa marina tillämpningar används en sekundär kylkrets med ytterligare en värmeväxlare 

utöver själva mellankylnings-värmeväxlaren. Integrationen av dessa samt eventuella 

följdproblem avses också undersökas. 

Experimentella studier i modellskala där varje sida av värmeväxlaren kan analyseras separat 

är mest lämpliga då det rör sig om gas – vätska värmeväxling och då hög noggrant för lokala 

storheter är betydelsefullt. Kompletterande experiment på kompletta värmeväxlare kan 

genomföras i nära direktsamverkan med forskargrupper som förfogar över gasturbinutrustning 

samt i nära samverkan med företag som ställer värmeväxlare till förfogande.


För hela projekttiden har målen nedan uppställts. Efter tre år skall projektet nå följande mål: 

• Tillhandahållit forskarutbildning inom vitalt område för svensk industri. En forskarexamen 

skall ha avlagts. 

• Anpassat och vidareutvecklat analys- och beräkningsmetoder för värmeövergång och 

strömning till värmeväxlare för tillämpning som intercoolers/mellankylare. Ha undersökt 

potentialen för nya alternativa värmeväxlare samt i detta sammanhang oprövade koncept, t. 

ex. plattapparater. 

• Analyserat tryckfallsförluster för medierna i mellankylningsprocessen. 

• Medverkat vid fullskaletest av existerande värmeväxlartyper i EvGT-projektet. 

• Genomfört värmeteknisk analys av fullskaletest för värmeväxlare. 

• Genomfört en experimentell undersökning, i modellskala, av några ytkoncept för 

effektivisering av värmeväxlingen. 

• Belyst tillverknings- och materialproblematiken. 

• Utvecklat metodik för optimering med hänsyn till samtliga kravspecifikationer och aktuell 

teknik. 

• Bidragit med några publikationer vid internationella konferenser och i internationella 

tidskrifter. 

Forskningsarbetet bedrivs på ett sådant sätt att den vetenskapliga kvalitén och inriktningen är 

hög varigenom publicering vid relevanta konferenser och i lämpliga tidskrifter möjliggörs. 

Resultaten skall också presenteras så att den uppnådda kunskapen och kompetensen kan 

tillämpas av avnämarna. 

Engagerad personal 

Tekn Dr Daniel Eriksson verkar som seniorforskare och biträdande handledare i projektet. 

Initiellt erbjöd vi en examensarbetande teknolog en doktorandtjänst inom detta projekt. Denne 

tackade först ja men återkom en tid senare och meddelade att planerna hade ändrats och han 

hoppade därför av. Rekrytering av en doktorand pågår (anställning utlyst) och ett flertal 

kandidater finns nu. Vi har goda förhoppningar om att lyckas och utgår från att denna nya 

doktorand börjar 1 april 2002. I ett annat relaterat projekt som berör högtemperatur värme- 

och massväxlare i gasturbinsystem med målet att ge en CO2 fri process, har vi en doktorand 

engagerad (FS). Vi ser stora synergieffekter och därför har vi engagerat denna doktorand 

partiellt (åtminstone inledningsvis) i detta projekt också. 

Andra medarbetare kommer också, i olika utsträckning, att medverka i projektet.


Projektet är i inledningsfasen så några definitiva resultat har ännu ej framkommit. Emellertid 

är förutsättningarna mycket goda för att kunna bidra till kunskaps- och kompetensutvecklingen 

avseende värmeväxlare i gasturbinsystem. Ett flertal doktorander arbetar med 

värmeväxlare men med olika inriktning och förutsättningar. Detta skapar en god miljö för 

framgång i detta projekt. 


Projektet har precis startats upp så några direkta slutsatser kan inte dras än. 


Värmeväxlare är vitala komponenter i de flesta framtida gasturbiner speciellt för små och 

medelstora effektklasser De är väsentliga för erhållande av rimliga verkningsgrader och låga 

emissioner. Eftersom gasturbiner med hög effekt har dominerat och dessa framställts i 

begränsat antal exemplar har inte värmeväxlare i gasturbinsystem använts i så stor 

utsträckning och därmed är den samlade erfarenheten och kunskapen begränsad. Eftersom 

trenden nu är mot små och medelstora gasturbiner kommer antalet gasturbiner att öka markant 

genom något som liknar serieproduktion. Därför behöver ytterligare kunskap och kompetens 

byggas upp inom området värmeväxlare för att kunna matcha förutsättningarna avseende 

termisk-hydraulisk prestanda, tillverkning, material mm. Inom området jetmotorer har numera 

intresset för värmeväxlare i gasturbiner, mellankylning och rekuperatorer (återvinnare), ökat 

markant och det kommer sannolikt att fortgå. Förutsättningarna är dock annorlunda jämfört 

med stationära gasturbiner. Vidare så ser man en trend att gasturbinerna utvecklas på så sätt 

att kompressor och turbin är separata enheter medan bränsle och luftsystemen och 

förbränningsprocessen utvecklas så att man uppnår CO2 fria processer genom utveckling av 

olika avancerade reaktorer. Värmeväxlare, kombinerade värme- och massväxlare blir då 

viktiga komponenter. Flera EU-projekt med denna inriktning pågår.

Analys och optimering av avancerade kraftcykler med luftvattenblandning 

som arbetsmedium 

Projektnr: P20059-1 

Projektledare: Prof. Jinyue Yan 

Projektdeltagare: Maria Jonsson, innehar Excellenstjänst 



Referensgrupp: Geir Owren, NTNU (fadder), Lars Sjunnesson, Sydkraft (fadder) 

___________________________________________________________________________ 


På Avdelningen energiprocesser, KTH, har ett antal avancerade bränslebaserade kraftcykler 

studerats inom Energimyndighetens program Termiska processer för elproduktion. Målet är 

att finna effektiva, miljövänliga och billiga processer för energiomvandling för kraft- och 

värmeproduktion. 

Den evaporativa gasturbincykeln är en avancerad kraftcykel med hög elverkningsgrad och 

hög specifik kraftproduktion. Den specifika investeringskostnaden (SEK/kW) är lägre för den 

evaporativa gasturbincykeln än för en kombicykel (kombinerad gasturbin- och ångturbinprocess). 

Detta beror på att de båda cyklerna har ungefär samma elverkningsgrad, men den evaporativa 

gasturbincykeln undviker kostnaden för ångturbinbottencykeln. Detta medför att den 

evaporativa gasturbincykeln är intressant för småskalig kraftproduktion, vilket är en tillämpning 

där investeringskostnaden för en kombicykel är alltför hög. 

I den evaporativa gasturbincykeln återvinns värmen i gasturbinavgasen med hjälp av ett befuktningstorn. 

Avgasen värmer vatten som sedan tillförs befuktningstornet i motström med 

tryckluften från gasturbinens kompressor. Vattnet i tornet förångas vid en kokpunkt lägre än 

den kokpunkt systemets totala tryck ger, eftersom kokpunkten bestäms av vattenångans partialtryck 

i luft-vattenblandningen i tornet. Detta medför att den evaporativa cykeln kan återvinna 

spillvärme vid låg temperatur, som t.ex. en ånginjicerad gasturbincykel inte kan återvinna. 

Det förångade vattnet ökar det volymetriska flödet genom expandern, vilket medför att 

cykelns kraftproduktion och elverkningsgrad ökar, eftersom kompressorarbetet är konstant. 

Den fuktiga förbränningsluften hjälper också till att minska bildningen av kväveoxider under 

förbränningen. Evaporativa gasturbincykler kan användas för enbart kraftproduktion eller för 

kombinerad kraft- och värmeproduktion. Vattenångan i avgasen kan återvinnas med rökgaskondensering 

så att cykeln har möjlighet att bli självförsörjande med vatten. 

I programmet Termiska processer för elproduktion finns två andra projekt nära förknippade 

med den evaporativa gasturbinen: “Dimensionering av befuktare vid evaporativa cykler” 

(P7013, avslutat) och “Termodynamiska data för luft-vattenblandningar vid höga tryck” 

(P11762). Resultat från dessa projekt används i modelleringen av evaporativa gasturbincykler 

på Avdelningen energiprocesser. Ett exempel är de olika modeller för termodynamiska data 

för luft-vattenblandningen som studeras i projektet P11762. Dessa modeller kan användas i simuleringen 

av befuktningstornet och den evaporativa cykeln. De simulerade evaporativa gasturbincyklerna 

analyseras, t.ex. med exergianalys, för att finna de mest effektiva cyklerna.


Projektets mål är termodynamisk och ekonomisk utvärdering av avancerade kraftcykler med 

luft-vattenblandningar som arbetsmedium. Cyklernas prestanda och uppförande ska studeras 

med hänsyn tagen till olika beräkningsmodeller för luft-vattenblandningens termodynamiska 

egenskaper och framtida versioner av cykeln ska föreslås. Maria Jonsson ska avlägga en doktorsexamen 

inom projektet. Avhandlingen kommer att behandla avancerade kraftcykler med 

blandningar som arbetsmedium, d.v.s. Kalinacykeln (ammoniak/vatten) och den evaporativa 

gasturbincykeln (luft/vatten). 


En exergianalys av evaporativa gasturbincykler med olika grader av delflödesbefuktning har 

avslutats och ska presenteras på en konferens sommaren 2002. Studien baserades på gasturbinerna 

GTX100 (Alstom) och Trent (Roll-Royce). Denna studie har endast delvis finansierats 

av det aktuella projektet (P20059-1). 


En exergianalys av evaporativa gasturbincykler med delflödesbefuktning har slutförts. Fullflödesfallet 

för GTX100-cyklerna och fallet med 20 % delflöde för Trent-cyklerna gav de 

högsta cykelexergiverkningsgraderna. Den största exergiförstörelsen sker i brännkammaren, 

och exergiverkningsgraden för denna komponent har därmed stor inverkan på systemets prestanda. 

Exergiförstörelsen i värmeåtervinningssystemet är låg. 


Studierna av evaporativa gasturbincykler med delflödesbefuktning har nu inriktats på optimering, 

termodynamisk och även ekonomisk, av befuktningstornet och värmeåtervinningen. Tre 

olika gasturbiner planeras ingå i studien: Alstoms GTX100 (tryckförhållande ca 20), en mindre 

gasturbin med lägre tryckförhållande och en gasturbin med högre tryckförhållande (flygderivat). 

Delflödesbefuktning innebär att endast en del av tryckluften från kompressorn passerar 

genom befuktningstornet. Tidigare studier har visat att elverkningsgraden är lika hög eller 

högre med delflödesbefuktning jämfört med fullflödesbefuktning. Cykelns värmeväxlararea 

och befuktningstornets volym minskar med delflödesbefuktning, vilket sänker investeringskostnaden, 

och tryckfallet för luften i befuktnings/värmeåtervinningssystemet blir lägre, vilket 

minskar parasitförlusterna. De förändringar som måste göras av en torr gasturbin för användning 

i en befuktad cykel bör också bli mindre jämfört med en fullflödesbefuktad cykel, vilket 

minskar utvecklingskostnaderna för gasturbinen. De metoder för exergianalys av evaporativa 

gasturbincykler som redan utvecklats kan användas även i denna studie. 

En litteraturstudie avseende evaporativa/våta gasturbincykler har även påbörjats. Ett stort antal 

gasturbincykler med vatten/ångtillförsel har presenterats i litteraturen. Endast en liten del 

av dessa har kommersialiserats. Olika cyklers för- och nackdelar avseende elverkningsgrad, 

kraftproduktion och tekniskt genomförande ska utredas och de mest intressanta alternativen 

för framtiden ska föreslås.

Biomass and Natural Gas. Increased Energy Utilization with the 

help of Modern Gas Turbine Technology. 

(Biobränsle och Naturgas. Ökad Energieffektivitet i 

Omvandlingen med hjälp av Modern Gasturbinteknik) 

Projekt nr: P 12477-1 

Projektledare: Prof. Torsten H. Fransson 

Projektdeltagare: Adj.Prof. Laszlo Hunyadi (25%), supervisor 

Prof. Jinyue Yan (5%), asst. supervisor 

Miroslav Petrov (100%), doktorand 


Beviljade medel: 1 058 000 SEK 

Referensgrupp: Thomas Stenhede (Wärtsilä Sweden AB), fadder, 

Corfitz Norén (Svenskt Gastekniskt Center AB), Eddie 

Johansson (Enköpings Värmeverk/ENA Kraft AB), Marie 

Anheden (Vattenfall Utveckling AB), Jinyue Yan (KTH/KET), 

Andrew Martin (KTH/EGI), Laszlo Hunyadi (KTH/EGI) 

___________________________________________________________________________ 


Utilization of biofuels for electric power generation with conventional steam Rankine 

cycles in small-scale applications gives comparatively poor electric efficiencies due to 

intrinsic disadvantages of the simple steam cycle, some specific properties of the biomass fuel 

and various investment restrictions. On the other hand, modern gas turbines and internal 

combustion engines fired with natural gas have comparatively low installation costs, good 

efficiency characteristics and low maintenance requirements. If a thermal connection of any 

kind is established between a high-grade-fuel fired topping cycle and low-grade-fuel fired 

bottoming cycle, a new type of combined cycle (“hybrid” cycle) is realized. The combination 

of these two fuels in a single power unit offers many advantages. Part of the overall energy 

input occurs in the topping engine, while the other part of the energy input to the overall cycle 

occurs in the bottoming boiler in the form of solid fuel. The efficiencies achievable by such 

hybrid configurations may prove to be higher than the average efficiency of a combination of 

two separate units (one pure combined cycle based on the topping engine and one simple 

cycle unit based on the bottoming cycle), burning separate fuels at the given fuel energy input 

ratio. These efficiency improvements are achieved without the use of sophisticated or risky 

technology. Cost savings may also take place, especially when comparing two separate units 

to one hybrid unit utilizing the same fuel mix in small scales. 

The basic idea of hybrid dual-fuel combined cycles is not new. Such power plants are 

already in service in several countries, and new ones are being installed either as newly 

designed units or as repowered old steam boilers, converted into hybrid cycles. 

Interest in such cycles (of all scales) is steadily growing worldwide. There is a need for 

a considerable amount of work to be done on cycle analysis and cycle configuration modeling 

for finding optimum efficiency gain and effects of fuel properties, fuel input ratio and partload 

performance. This applies especially to utilization of biomass as fuel for the bottoming 

cycle in small scales.

The utilization of biomass as fuel for heat and power production has significant 

relevance to Sweden. Moreover, further extension of the use of this native natural resource as 

fuel is inevitable, especially in the context of reduction of carbon dioxide and acidic gases 

emissions and decreasing dependence on imported fossil fuels and nuclear power. 


The general aim of this project is to investigate the possibilities for increased electrical 

and total efficiencies of conversion of biomass to heat and power in hybrid combined cycles, 

with the help of a small amount of natural gas as a high-grade fuel for a topping cycle. Natural 

gas is selected as a promising fuel for the topping cycle, since it is least hazardous for the 

environment (among the fossil fuels) and has favourable cost characteristics. 

The present project focuses on the broader issues of thermodynamic cycle optimization 

for highest electrical and total efficiencies, fuel-input ratio sensitivity and part-load 

performance in biomass and natural gas powered hybrid combined cycles of many possible 

configurations. The various configurations are thoroughly simulated and heat-balance 

calculated with the help of a computer program - ProSim. Still much work remains to be done 

in this respect, especially in a more generalized view, considering also very small-scale 

applications. Several promising configurations will be prioritized and further investigated 

economically. The stress will be put on applications in Swedish municipalities for combined 

heat and power production with favourable power-to-heat ratios in the scales of less than 10 

MW up to 100 MW total fuel energy input. 

Unlike industrial applications where profitability is the most important consideration, 

municipal small-scale biomass and natural gas hybrid power stations are expected to be 

economically and technically feasible, especially in view of the need for lowest possible 

emission levels in populated areas, rising carbon dioxide taxes and other restrictions on the 

use of fossil fuels. Restructuring and upgrading of existing local heating plants or small power 

stations to a biomass and natural gas powered hybrid cycle plants would be a straightforward 

way to achieve the goals of promoting distributed power generation at higher electrical and 

total efficiencies, thus utilizing Swedish biomass resources more effectively. 

The present project attempts to perform the needed investigation work in this field and 

necessary conclusions and recommendations will come as results. The project also leads to a 

Teknisk Licentiate degree. 

Modern gas turbines, as well as modern stationary internal combustion engines are 

considered as topping cycles in this project. As bottoming cycles are considered Rankine and 

Air Bottoming cycle. Some novel gas turbine cycles or novel combined cycle configurations 

may also be considered. All in all, the focus will be put on available well-proven technology, 

which does not require heavy investments and does not suggest insecurity of availability and 

maintenance. Another positive feature of hybrid combined cycles is the possibility for 

treatment of the flue gases together with the flue gases from the biomass boiler, which is 

especially relevant to reduction of NOx emissions from internal combustion engines by 

reburning in a bottoming cycle boiler. 


The project started in January 2001 and the first step was a Literature Study and Stateof-Art 

Report. The literature study covers a broad area of hybrid combined cycles with 

various bottoming fuels and both gas turbines and internal combustion engines as topping 

cycles. The material is extended to encompass a general overview of biomass utilization 

(focusing on Sweden), history of combined cycles development with reference especially to 

combined cycles with supplementary firing and their transformation into hybrid combined

cycles, repowering of old steam units into hybrid ones and combined cycles with internal 

combustion engines. 

The state-of-art report is a separate chapter within the literature study report. 

Descriptions of existing hybrid combined cycle installations with biofuel-fired bottoming 

cycle in Sweden and surrounding countries are compiled in it. The presentation shows that 

hybrid combined cycles are a standard technology in many respects. Almost all described 

installations have been repowered units, where an old steam cycle (or a hot-water boiler) has 

been topped by a gas turbine (or by internal combustion engines in one example) and these 

specific configurations have been chosen as the most rewarding ones out of various 

alternatives. They have proved their advantages in commercial operation. 

Parallel with the literature study, computer modeling of different cycle configurations 

started in September 2001. The first step was simulation of various hybrid cycles with a gas 

turbine as topping engine and a steam bottoming cycle fired with municipal solid waste and 

wet wood chips. Simulations will continue with diversifying the configuration range by 

including internal combustion engines as topping cycles (possibly also evaporative gas 

turbines and gas turbines with reheat) and air turbines as bottoming cycles (or other approach 

to externally-fired types of arrangements), as well as steam cycles with very modest steam 

parameters (in very small scales). 

The first cluster of results provoked an investigation of how to define the advantages or 

disadvantages of hybrid combined cycle configurations in general. An approach was 

developed, based on the overview of previously published materials relevant to the subject 

and further extended to respond well to the actual cases. Further on, the exergy concept will 

be applied with a purpose to derive a generalized and easy-to-use model for comparison 

among different cycle configurations in steady state. This work is under way at the moment. 

Simulations will continue also with a deeper insight into part-load features of the 

various calculated configurations at varying topping-to-bottoming fuel energy input ratio. 

A M.Sc. thesis work (ex-jobb) was conducted within the project during November 2001 

to March 2002 by Cecilia Ekblad, a student graduating from KTH/Energiprocesser. The thesis 

focused on the impact of moisture content of wet biofuels on their energy utilization and 

possible incorporation of a fuel dryer into a steam power cycle. The first part of the thesis is a 

Literature Study on drying methods and technologies for biofuels. The second part involves 

simulations of steam power cycles firing wet wood chips. Impact of fuel moisture content on 

the electric efficiency in particular was studied and assessed, including fuel drying with heat 

supplied by exhaust gases or by steam extraction. 


The literature study and the state-of-art report proved that hybrid combined cycles are a 

well-developed technology based on standard components and showing promising 

performance. Reliability, load flexibility, fuel flexibility and adaptivity to various areas of 

application at various power-to-heat ratios of such configurations are unrivaled. Moreover, it 

has been observed that interest in hybrid combined cycles worldwide is steadily rising. There 

is a need for further investigations especially in the small-scale range, relevant to biofuel 

utilization with standard components at affordable costs. 

The literature study within the M.Sc. thesis arrived at the conclusion that various drying 

methods for biofuels exist and are commercially available. Their application however is sitespecific 

and strongly dependent on prices. Installation costs for fuel dryers are quite high and 

rule out their application in power generating units, unless the production of a certain highvalue 

product requires the use of a dryer. 

The simulation of steam cycles fired with wet biomass within the M.Sc. thesis showed 

the extreme controversy between defining electric efficiency according to low (net) heating

value or according to high (gross) heating value of fuels. The official use of low heating 

values and their application to fuels with high moisture content (like most biofuels) may lead 

to misinterpretations and wrong conclusions. This controversy is even more aggravated when 

a fuel dryer is incorporated into the power cycle. According to the definition of efficiency 

officially in use, incorporation of a fuel dryer supplied with heat by a steam extraction is 

beneficial for the cycle electric efficiency and total efficiency. 

The major work on cycle simulation and evaluation within the project proved that 

hybrid configurations are viable and thermodynamically attractive at any scale and with any 

bottoming fuel. In small scales in particular, hybrid configurations may be the lowest cost 

option for utilization of both the topping and bottoming fuel with high efficiencies. The 

topping fuel (natural gas in this case) can be utilized with higher efficiencies than those 

achievable in a pure combined cycle at the relevant scales (not to mention the cost 

advantages). The efficiency of bottoming fuel energy utilization (biomass) rises as well, 

without complications of the bottoming cycle itself. For steam cycles with low steam 

parameters, hybrid configuration with a topping cycle provides substantial improvements in 

performance at the lowest possible costs. 

In small and medium scales, the varying toping-to-bottoming fuel energy ratio for all 

configurations gives a clear optimum of electric efficiency gains, which lies around the point 

where the topping engine power output is 20-30% of the overall hybrid cycle electric output. 

This result must be further verified for different topping engines and different parameters of 

the bottoming cycle.

Systemstudier av kraftcykler med Chemical 

Looping Combustion 


Projektledare: Professor Jinyue Yan 

Kemiteknik/Energiprocesser, KTH, 100 44 Stockholm 

tel 08-790 6528, fax 08-723 0858, yanjy@ket.kth.se 

Projektdeltagare: Jens Wolf, doktorand, Professor Jinyue Yan, handledare, Prof. 

Mats Westermark, Koordinator. 



Referensgrupp: Sven Jansson, fadder, Svenergy Consultants, Marie Anheden, 

Vattenfall 


This project is to develop a novel power generation cycle with a flameless combustion 

process with inherent CO2 separation, which offers the feature for reducing CO2 

emissions. In the process, the fuel is oxidized by a solid oxygen carrier. This oxygen 

carrier is then re-oxidized by air in a separate reactor. Because of the two-step 

combustion, CO2 can be obtained in a separate stream without significant energy loss. 

This process is known as Chemical Looping Combustion (CLC). This project is to 

investigate the performance of CLC systems with integration of the experimental 

studies on oxygen carrier and reactors which are included in a parallel project by 

Chalmers University of Technology (CTH) Initial system studies are to provide the 

conditions and requirements for experiments. Based on the experimental results on 

oxygen carriers and reactors, an in-depth modeling of systems will focus on the 

optimization of the processes and reducing irreversibilities of the components. The 

project will give experience and knowledge for the construction of a minor pilot plant 

to demonstrate this technology. 


The goal of the project is to demonstrate the potential of the new technology for 

industrial application by investigating the whole system. In the later phase of the 

project (Year 2004/05), a Ph.D. student is expected to finish a Ph.D. degree. 

1. Configure and identify potential power generation processes with CO2 capture. 

2. Initial system studies to identify desirable reactor conditions such as temperature, 

pressure, and conversion degree etc. 

3. Study the impact of different oxygen carrier on the process design and efficiency 

of the system. 

4. Further system studies by using results from experimental work on oxygen carrier 

and reactor design (data from CTH).


1. Literature studies 

Before this project started in September 2000, a literature study had been carried out 

(which is funded by the project P11902-1, duration: 1999-09-01-2000-08-31, 152 

kKr). The study included the review of previous research on process configuration 

alternatives, reactor design, experiments on oxygen carriers, and the theory on 

reducing exergy destruction in CLC compared to in direct combustion. The literature 

studies and following the international development of this technology are continuing 

in this project. 

2. Method development for selection of processes 

A new design tool has been developed for the selection of key parameters for the 

CLC. This tool is based on an energy and mass balance diagram for the CLC-reactors 

system. A chart is created for mapping reactor parameters which predicts initial 

boundaries of the theoretical feasibility for a suitable reactor system. This reveals the 

relationship between reactor parameters and gas turbine inlet temperature. The reactor 

parameters include the reduction temperature, the conversion rate during the 

reduction, the flowrate of the circulating oxygen carrier, the flowrate of the 

combustion air, and the combustion air temperature. This new design tool for 

mapping CLC reactor parameters should be very helpful to identify desirable reactor 

conditions which are dependent upon a selected systems. 

3. System Configurations and Modeling 

Models of four different process configurations have been designed and preliminary 

simulations have been carried out. In this preliminary study, systems are designed to 

use natural gas as fuel and FeO/Fe2O3 as oxygen carrier. 

Conventional steam cycle with CLC 

 

Combined Cycle with CLC (system A) 

 

Combined Cycle with CLC and additional CO2 turbine (system B) 

 

EvGT with CLC 

The system studies have been focused on the two combined cycles with CLC (system 

A and B). The systems with CLC have been compared to a conventional combined 

cycle (CCC) which has been used as a reference system. The results show that the CC 

with CLC have a thermal efficiency of about 5 percentage points higher than the 

reference system (ca 48%) if CO2 capture is included. The studies have shown the 

difference in the system when chemical looping combustion is used instead of the 

conventional combustion process. This will provide a good guide for optimizing the 

power generation cycles with CLC. By including the CO2 turbine (system B) the 

efficiency could be increased by about 2 percentage point. However, if the CO2 

compression is included, which is necessary for CO2 mitigation, the thermal 

efficiencies of both systems with or without CO2 turbine were about the same. 

4. Parameter study 

Performance analyses have been carried out of both combined cycles with CLC. The 

pressure and the temperature of the reduction reaction have been varied in both 

processes. The result was that these changes in the top cycle could almost be 

2

compensated by the steam cycle. The differences in efficiency were not more than 2 

percentage points, without any modifications in the heat recovery. By modifying the 

steam cycle the impact of pressure and temperature of reduction might be further 

reduced. 

5. Impact of nickel oxide instead of iron oxide as oxygen carrier 

Due to the different heat of reaction of the oxidation of nickel and wustite (FeO), the 

mass flow of the two exhaust streams changes. At the oxidation of nickel, more heat 

is generated per mass unit oxygen carrier. This increases the throughput of the gas 

turbine. At the same time the temperature of reduction is lower. The study shows that 

the choice between nickel and iron oxide has an impact on the process design. 

However, the overall thermal efficiency of the optimized process with Fe2O3 and NiO 

was the same, if the same TIT for the gas turbine was assumed to be 1200 °C. This 

indicates that the studied combined cycle can compensate the impact of different heat 

of reaction to a certain extension if using nickel oxide instead of iron oxide as oxygen 

carrier and assuming that both oxygen carriers can reach 1200 °C in the oxidation. 

However, more studies are necessary about how the oxygen carriers will change the 

performance of power generation cycles. 

6. Exergy analysis 

An exergy analysis of the two combined cycles with CLC has been carried out. The 

aim of this study was to find the theoretical potential of the CCs with CLC compared 

to the CCC, if the same assumptions are used for the gas turbine in the CCC and in 

the systems with CLC (e.g. TIT = 1200 °C, isentropic efficiency, and cooling). The 

result shows that the exergy destruction was similar in the CLC systems and the CCC 

when excluding CO2 capture. However, a significant advantage for the CLC systems 

was found if CO2 separation and compression was included. This results support the 

findings from the performance studies that a system with CLC is superior if CO2 

capture is included. 

In addition, we made a study to find if there is a thermodynamically advantage for 

nickel or iron oxides as oxygen carrier. The result was that the exergy efficiency was 

the same for both studied oxygen carriers. It should be mentioned that this result 

refers to the assumption that the TIT of the gas turbine was assumed to be the same 

(1200 °C) and the heat recovery was optimized in both cases. We need to make 

further studies on the criterions for choosing oxygen carriers (e.g., nickel or iron 

oxides) with consideration of the kinetics and the physical strength and temperature 

resistance of the particles. This may affect the temperature that different oxygen 

carriers can reach without technical problems. 


• The studied combined cycles with CLC including CO2 separation have the 

potential to achieve a thermal efficiency that is about 5 percentage points higher 

than the reference system (a similar combined cycle with conventional CO2 

capture). This result is based on the assumption that the TIT is 1200 °C in all 

studied systems and a tri-pressure reheat steam cycle is used. 

• The use of a CO2 turbine is not necessary if additionally to the CO2 separation 

also the compression of CO2 is included. The CO2 compression is required for 

transportation and storage. 

3

• The choice of nickel or iron oxide as oxygen carrier has no significant impact on 

the overall efficiency of the studied combined cycles if the same TIT is assumed 

and no losses are included. However the study shows that the choice between 

nickel and iron oxide has a considerable impact on the process and reactor design. 

Further studies on different oxygen carriers are necessary. 


• Exchange information with the group at Chalmers and make a collaborative study 

together. 

• Adjusting the CLC reactor parameter mapping to experimental results. 

• Further modeling of the systems and creating more efficient process alternatives. 

• Investigating systems with other oxygen carriers (e.g. manganese oxides). 

• Identify the possibilities of implementation of CLC with other feedstock (e.g., 

biomass and coal). 

• Identify application for the technique (e.g., power or cogeneration). 

• To finish a PhD degree in year 2004/05. 

• We are planning a cooperation with Prof. H. Jin (Chinese Academy of Sciences, 

who had been working with Prof. Isida in Japan) to make a joint study on the new 

systems 

Publikationslista (List of publications): 

Wolf, J., Anheden, M., and Yan, J., 2001, “Performance Analysis of Combined Cycles with Chemical 

Looping Combustion for CO2 Capture”, International Pittsburgh Coal Conference, Newcastle, New 

South Wales, Australia, December 3 - 7, 2001 

A manuscript is under preparation. 

4

Development of tools for the design of low emission burners in 

industrial gas turbines 

(Utveckling av gasturbinbrännare med låg emission för 

kraftgenerering) 


Projektledare: Prof. Laszlo Fuchs 

Projektdeltagare: TeknD. Fabrice Guillard (30%), experiments 

TeknD. Doru Caraeni (30%), computations 

Christophe Duwig, doktorand (100%) 



Referensgrupp: Vladimir Miloslajevic (Alstom Power), Rolf Gabrielsson (VAC) 

___________________________________________________________________________ 

Project description: 

The current trend of design of low emission burners for single and multiple fuels is to burn lean 

mixture. By this, the peak temperature can be reduced and the formation of thermal NO is 

greatly avoided. The limit of how lean the mixture can be is determined by either flame blow out 

or incomplete combustion, which leads to elevated levels of emissions of CO and unburned 

hydrocarbons (UHC). The issue is thus, how to design burners and their integration into a 

combustion system in such a way that they will function in a well-defined manner (i.e. at design 

conditions). This problem is difficult and currently there are no complete solutions available. 

The aim of the work proposed herein is specifically focused towards answering the problems 

associated with burner design, for power generating gas turbine applications, using low emission 

burners for less favorable fuels (such as low value bio-gas) and/or water injection which may 

lead to lowering the flammability of the fuel. Active research is carried out worldwide in 

improving modeling of turbulent combustion. In this project the theoretical work focuses on the 

mixing properties of industrial GT (low emission) burners and mixing effects on the combustion. 

In addition we study mixing and combustion effects of mixtures of (multi-component) fuels and 

the effect of species dependent (i.e. Schmidt number) diffusivity on mixing and combustion. The 

theoretical work is proposed to be supported by combined experiments, which are conducted in 

close collaboration with ALSTOM Power. 

Project goals: 

1. Developing and validating design tools for low-value gas/bio-gas fuels for low NOx 

power GT burners. 

2. Study the effects fuel (including low value biogas) composition and/or of water 

injection on flame stability. 

3. Study potentially new injection and mixing techniques for lean and/or low load 

combustion. 

4. Develop and refined modeling (i.e. computational) and experimental 

models/techniques for handling low emission burner design.

Results: 

The project started in May 2000. The student working on the theoretical part of the project is 

Christophe Duwig. He has been during this period working with the code for computing 

mixing and developing the modeling for the combustion. The initial results of the calculations 

have now been accepted for a conference publication. The experimental part of the project 

has now been boosted by employing Andrei Secareanu and by installing the new measuring 

equipment (comprising 3 new lasers). The collaboration with Alstom Power (AP) implies that 

AP provides several burner geometries for studies. In addition, AP has provided us with the 

first burner and some peripheral equipment. This mixing section of this burner has no direct 

optical access, but one can access the combustion zone. A second burner is being constructed. 

This burner will enable access also to the pre-reacting zone. 

The results up to now include the study of the turbulent flow and mixing (including 

differential diffusion) in an AP burner. We have also added some features (handling premixed 

flames) to the LES combustion code. Further work is ongoing on the old (3 sriler AP) burner 

and the one that is rigged for measurements. Some of the results are to be presented in an 

international conference later this summer. 

Conclusions: 

Since the project has just passed the start-up phase one cannot draw any major conclusions as 

yet. The work proceeds roughly along the lines presented in the applications, with the 

exception of the experimental part. The delay in the experiments has been caused by the delay 

in obtaining the AP burner. To compensate for that delay we have considered (and shall do 

further work) on the TURBEC rig that has used for measuring certain components under hot 

conditions. After the start-up period we expect at least a couple of international publications 

this year. 

Future work: 

At this stage we intend to continue the work as planned. The work shall include theoretical 

work supported by experiments: 

1. LES of turbulent flow, mixing and combustion in the related burner geometries. 

2. Two small premixed, swirl stabilized burner for models shall be studied experimentally 

for validation purposes. The rigs will be used both in confined and non-confined modes. 

The second burner will have a better optical access also in the hot confined case. The rigs 

is to be used to measure the velocity field (PIV) and concentration fields of OH- and CHradicals 

(by LIF) simultaneously. The data shall be used for determining directly the Sub- 

Grid-Scale (SGS) terms in LES and the Reynolds stresses and turbulent fluxes in the 

RANS framework. 

3. An option that was discussed with AP included the use of a water swirling-flow “burner” 

model. This rig is to be used for studying flow instabilities in the burner and their effect 

on turbulent mixing. The rig is to have optical access for PIV, LDV and LIF 

measurements. This approach will enable us to study easily the details of the flow (also 

experimentally) inside the swirling zone that is not accessible in the “hot” burners. 

In addition, we expect that AP shall provide us with FLUENT results so as to compare our 

LES models and results with their existing “state of the art”.

High Pressure Catalytic Combustion 



Projektdeltagare: Tekn.lic. Jan Fredriksson (HPT) 50%, Katarina Persson (KT) 100 

% och Jeevan Jayasuriya (HPT) 100%. Prof. Sven Järås (KT) 

handleder Katarina Persson. 



Referensgrupp: Rolf Gabrielsson, VAC, Mats Westermark, (KT/KTH), Mats C 

Andersson (Alstom Power), Timothy Griffin (Alstom Power) 

Magnus Callavik (ABB Corporate Research), Jürgen Jacoby 

(HPT/KTH), Philippe Thevenin (KT/KTH) 

___________________________________________________________________________ 


An application for a mainly experimental project on high-pressure catalytic combustion at for 

Gas Turbines was handed in to STEM and a six-month pre-study period was granted. 

Experiments are planned for several types of catalysts at low and high humidity levels of up to 

0.3 kg steam per kilo dry air and pressures of up to 35 Bar. Fuels to be tested include gasified 

biomass and natural gas, Tests will be performed in bench scale tests with fuel power input of 

up to 100 kW, with air pre-heating temperatures of up to 600°C. An existing test rig has to be 

modified for these experiments. 

Project goal: 

The goal of the project is to deliver high quality global experimental data on combustion 

stability and emissions for catalytic combustors using 

• various different catalyst configurations 

• various fuels in air with high humidity, up to 0.3 kg of steam per kg dry air. 

• at pressures from atmospheric, up to 35 Bars 

• at air inlet temperatures of up to 500 °C 

Publish two Tekn.Lic thesis and three Ph.D thesis. 

• Tekn. Lic thesis 

At the end of second year of the project, by March 2003, Jeevan Jayasuriya (HPT/KTH) 

and Katarina Persson (KT/KTH) would complete their licentiate thesis. 

• Ph.D thesis 

By the end of year 2003, Jan Fredriksson (HPT/KTH), would complete his Ph.D thesis. 

By the end of year 2005, Jeevan Jayasuriya (HPT/KTH) and Katarina Persson (KT/KTH) 

would complete their Ph.D thesis. 

Results: 

Test rig is assembly is partly completed. Most of the hardware has been delivered. Ceramic 

reactor tube assembly yet to be delivered. Delivery is scheduled on the second week of March 

2002. Compressed air, cooling water, fuel supply, exhaust, electricity and control systems are 

designed and partly installed. Catalysts to be tested in the first phase of experiments have been 

developed and tested.

• Delay in commencing experiments 

Project has been delayed at the stage of experiments and deviated from the schedule by five 

months due to the delay of delivering major hardware. At the current status, project is 

approximately five months behind the original schedule as planned for commencing 

experiments. It is anticipated to recover initial delay during the period of tests and not to 

deviate from overall project schedule at the end. Revised work plan is given in the table 2. 

Full- scale experiments starting with natural gas will begin in spring 2002. 

• Financial situation 

In the financial situation, project budget is positive at the end of the first year. Due to the 

delay in commencing experiments, money reserved for consumables and some other activities 

are remaining. Which will be brought forwarded to the next year. However the cost of 

pressure vessel was higher than expected. 

• Reference group meetings 

Three reference group meetings were held in June 2001, November 2001 and January 2002. 

• Major hardware, pressure vessel and electric heaters were delivered and assembled. Other 

accessories such as thermocouples and thermocouple connectors, high temperature 

insulation material, electrical and mechanical accessories have been delivered and 

prepared for installation. 

• Modifications to the humid air test rig were done in order to comply with the requirements 

of high pressure test facility. 

• Electricity, pressurised air, cooling water, fuel supply and exhaust systems of the rig were 

designed and prepared for installation. 

• Fuel supply system was designed and placed order for installation. 

• Pressure reduction valve was manufactured. 

• New gas analysis equipment was purchased. 

• Software based control system was developed and tested. 

• Calibration of mass flow meters were done. 

• Three different catalyst preparation methods were investigated and compared in order to 

find the best method for large amount of catalyst preparation. 

• Catalyst characterisation were done after calcination at 1000 ºC for 6 hours in air by 

means of different techniques. 

• In addition, their catalytic performances have been compared in the complete oxidation of 

methane when operating in excess of oxygen. 

When considering the development of combustion catalysts for the complete oxidation of 

methane, the work focused on the study of supported palladium catalyst. Among the various 

parameters that control the activity of the catalyst, the preparation method has shown to be of 

great importance with respect to the combustion activity, thermal stability and ignition 

performance. 

Previous work at our laboratory investigated 3 main routes to the preparation of Pd/Alumina 

catalyst systems. Grafting (G) and micro-emulsion (ME) techniques have been compared to a 

more conventional incipient wetness (IW) impregnation. One of the objectives of this first 

study was to investigate the possibility to use of different preparation technique for the 

preparation of larger amount of catalysts, without affecting the properties required for

combustion catalysts. The incipient wetness technique is appropriate for preparation of small 

amounts of catalyst. However, in the case of bench scale experiments, larger amounts of 

catalyst need to be prepared and in such case, the incipient wetness technique may not be the 

most appropriate. 

The catalyst, have been characterized after calcination at 1000 ºC for 6 hours in air by means 

of different techniques (transmission electron microscopy, x-ray diffraction, BET surface 

area) in order to examine their surface properties. In addition, their catalytic performances 

have been compared in the complete oxidation of methane when operating in excess of 

oxygen. 

The results showed that no major differences are obtained when comparing incipient wetness 

and micro-emulsion with respect to the particle size. It is possible, from the XRD pattern to 

evaluate the size of the metallic particle. In our case, we compared the peak responsible for 

the diffraction of PdO and compare it to the one of g-Alumina. We can clearly notice that the 

PdO peak present a similar intensity in the IW and ME preparation technique. On the 

contrary, the grafted samples exhibit Pd particles of much smaller size. 

Similar conclusions can be drawn for the TEM observation. The particles prepared by grafting 

have a diameter of about 5 nm whereas the ones prepared by either IW or ME are much 

larger, up to 100 nm, after calcination at 1000 ºC in air. 

The results obtained from lab-scale combustion experiments reflects the same trend. No major 

differences could be observed when comparing the IW- and ME-catalysts. On the contrary, 

the G-catalyst presents a higher ignition activity with a ignition temperature of about 150 ºC 

lower than the IW- and ME-catalysts. 

Two publications have been made within the project and will be presented at 5 th International 

Workshop of Catalytic Combustion in Korea –April 2002. 

Conclusions: 

Design and construction of test the facility will be completed at the end first year of the 

project. Two main types of combustion catalysts have been developed and tested. Combustion 

experiments are expected to be commenced from end of March 2002. 

Construction phase of the test facility took longer time than expected. Subsequently the 

schedule of experiments delayed by 5 months. To bridge this gap of delay, experiment 

schedule has been revised and it is expected to be recovered by a shortened up schedule of 

first phase experiments. This will be done by increasing number of working hours during 

experiments and reducing the time change-overs. There will not be any change to 

experimental procedure and it will not affect to the end results. Planned period of first phase 

experiments have been shorten by 4 months in revised schedule Project will be back on track. 

Project budget is positive at the end of first financial year. It will be brought forward to the 

next year. 

Future work: 

Combustion tests will begin in the second half of March 2002. Since there is a delay in 

completing test rig construction, experiments will have to be started behind the initial 

schedule. Experiments schedule has been revised in order to recover the initial delay.

Efficient steam turbines for small-scale energy conversion plants 

Project number: P12457-2 

Project leader: Prof. Torsten Fransson 

Project members: Jens Fridh, doktorand (100%) 

Project’s duration: 2001-07-01 to 2003-03-31 

Granted funds: 1 960 000 kr 

The reference group: Ulf Rådeklint, ALSTOM Power (fadder); Lars Atterhem, 

Skellefteå Kraft (fadder); Lars Hedlund , ALSTOM Power; 

Andrew Martin, KTH; Per Almqvist, KTH. 

___________________________________________________________________________ 


The Swedish government has decided to implement an "energy transfer" from nuclear to 

renewable energy resources in the next decade or so. Various kinds of basic and applied 

research activities are needed for this to be achieved. The main focus of the current project is 

to investigate the possibilities of increasing the generation efficiency, within economically 

reasonable boundaries, of small-scale steam turbines coupled to biomass boilers. Here the 

term small-scale refers to turbines with inlet volumetric flows up to 0.7m 3 /s and electric 

outputs less than 25 MW. The steam turbine is an important part of small-scale combined heat 

and power (CHP) and combined cycle (CC) plants for future de-centralized power generation, 

and it has not been thoroughly investigated in detail with the prerequisites of today. Decentralization 

is an attractive scenario in the perspective of the Swedish transfer of electricity 

generation from nuclear to other options. Furthermore, the effects on the efficiency via 

advanced steam conditions and partial admission need to be clarified. In order to meet the 

demands of relevancy, the study originates from the available 'state-of-the-art' technologies 

for small-scale steam turbines and complements with further investigations and judgements. 

To keep the study at a reasonable size, the main work is aimed towards aero-thermodynamic 

calculations and experiments for efficient steam turbines. 

The small physical size of the turbines applied in small-scale heat and power plants has a 

great deal of importance for the isentropic turbine efficiency. The dimensions of turbine 

bladings and flow channels are primarily a function of the volumetric flow rates passing 

through the machine; which are consequently reduced for small turbines. In an ideal machine 

where clearances, blade thickness and surface roughness could be held at a constant ratio to 

other geometric scaling parameters, the small size would have very little impact on turbine 

performance; according to similarity rules, only the Reynolds number decrease may affect the 

entropy generation. However, these ratios cannot presently be upheld due to construction 

difficulties, consequently the entropy generation to energy input ratio becomes large for small 

machines. One way to maximize performance at small scale is to increase the blade heights 

and allowe partial volumetric flow admission, which thereby decreases the entropy generation 

to energy input ratio. In fact, partial admission is routinely applied at part loads, which is 

common for small-scale turbines and especially for district heating turbines and backpressure 

turbines in industrial applications (where the heat demand largely dictates the turbine load). 

An improved understanding of losses induced by small volumetric flows and partially 

admitted flows are also needed due to lack of open literature regarding this topic.

Project goal: 

The overall objective is to investigate the feasibility of enhancing the performance for smallscale 

steam turbines (less than 25 MWel) by means of aero-thermodynamic calculations and 

experiments. An improved understanding of partial admission losses in low flow rate 

turbomachines is one specific goal. Results may be used as design criteria for small-scale 

steam turbines, possibly with advanced steam data. Another general objective is to increase 

the physical understanding of partial admission losses in small flow rate turbomachines in 

order to improve future design and choice of partial admission in small-scale steam turbines, 

possibly with advanced steam conditions. 

Preliminary date for a Licentiate exam is May/June 2003. 

Methodology: 

In order to meet the project goals, numerical calculations combined with experimental tests in 

a cold-flow air turbine test facility at KTH are planned. Applying partial admission induces 

additional losses and an attempt will be made to investigate these losses, with an emphasis on 

the physical understanding of the flow mechanisms. The approach will be conduct partial 

admission tests on the two-stage axial air test turbine at HPT, and one-dimensional mean-line 

calculations will be performed with ALSTOM’s in-house code AXIAL. A highly loaded onestage 

object will also be investigated. The calculation results will be used to determine if the 

existing test object can be used for simulating partial admission and/or advanced steam 

conditions for small flow rate steam turbines. If the answer to this is positive, then the 

experimental measurements will be performed. 

Results: 

Corresponding sub-phases are presented in the time plan (see below): 

Sub-phase 1.a 

Small-scale steam turbines almost exclusively employ admission data below 540°C/140 bar. 

The main problem with applying high-temperature steam is located to the boiler system, 

where the problem consists of finding a cost-efficient and suitable material for superheaters, 

piping etc. Steam parameters above 600°C exist today in large-scale generation and it is 

technically feasible to incorporate these temperatures into small-scale generation although it is 

economically questionable for pure Rankine cycles. However, small-scale combined cycles 

with advanced steam parameters gives a more positive overall picture. A limited number of 

publications regarding experimental and numerical studies about partial admission losses have 

been found in the open literature, with still limited physical understanding of the flow 

phenomena during partial admission. This points towards a continuation of the project with 

complementing experiments. 

Sub-phase 1.b 

Participating in external turbine trials at DLR (Germany) and at KTH has lead to valuable 

knowledge that can be used when turbine trials become current. The student is able to run the 

test facility at KTH. Various courses and collaborations with national- and international 

companies, research institutes and universities have broadened the knowledge about 

aerothermodynamics of small-scale steam turbines.

Sub-phases 1.c and 2.a 

In order to enable economically and practically feasible experiments an existing two-stage test 

object is considered, although slightly modified. The test object in question is able to simulate 

the first two stages in a full-scale axial steam turbine with impulse blading in district heating 

(DH) or backpressure mode (BP). Possible full-scale machines that the test object is able to 

reflect are selected and summarized in Table 1. The isentropic (total-static) turbine 

efficiencies (ηs) along with a fixed exit point are for the sake of simplicity assumed. Here, the 

efficiency is assumed to be dependent on the inlet volumetric flow. The fixed exit point is 

chosen to be 1.013 bar(a) saturated steam for all cases. 

Alternative tin (°C) pin (bar) tex (°C) pex (bar) ηs m (kg/s) Vin (m 3 /s) Pshaft (MW) 

a 530 45 100 1.013 0.90 9 0.7 7.5 

b 600 95 100 1.013 0.85 15 0.6 14.3 

c 700 260 100 1.013 0.80 25 0.4 27.4 

Table 1: Selected full-scale machines. 

The rotational speed and inlet nozzle/blade height are determined by similarity analysis and 

the selected hub diameter for the full-scale turbine, and Table 2 gives full-scale reflections 

regarding this. 

Alternative Dhub (mm) n (rpm) Hin, nozzle (mm) Hin, blade (mm) 

a 200 18400 13 21 

a 300 12200 9 14 

a 400 9200 6 11 

b 200 19400 10 17 

b 300 12900 7 12 

b 400 9700 5 9 

c 200 20800 6 10 

c 300 13900 4 7 

c 400 10400 3 5 

Table 2: Rotational speed and nozzle/blade heights for full-scale turbine according to 

similarity analysis performed for a two-stage test object at hub diameters from 200 to 400 

mm. Constant hub diameter and axial velocity through the turbine are assumed. Only 

approximate numbers are shown. 

Thus, depending on particular configuration, the test object is able to satisfactorily represent 

conditions for actual machines (Hin,blade>10mm) for alternatives ‘a’ and ‘b’ while for ‘c’ it is 

more questionable. Alternative ‘a’ and ‘b’ are considered closely related to the objectives of 

this project. Yet another similarity constraint is the geometric blade dimensions, e.g. blade 

height to diameter ratio must show similarity, and according to this, only the first ‘a’ 

alternative (row 2) in Table 2 is upheld. However, the purpose of Table 2 is to clarify the 

general relation between diameters, blade heights and rotational speeds; therefore the numbers 

are not accurate enough to draw conclusions on the geometric similarities. Performed 

through-flow analysis and one-dimensional mean-line calculations on the scaled model have 

shown that it may be able to operate satisfactorily with a total pressure ratio of up to 2.8 and 

with partial admission up to a velocity ratio of about 0.6 (which are within the capacity of the 

test turbine facility at HPT/KTH). This would mean an increase of internal relative stage 

velocities by nearly 80% relative the original design. The mean tangential blade velocity at 

design velocity ratio of 0.47 increases from 90 m/s to 150 m/s. Here, high blade speed is 

strived in order to gain as large stage loading as possible at design velocity ratio, which may 

reduce number of stages in the turbine and consequently keep the cost of the turbine low. 

Also, a high-pressure one-stage test object is calculated having a maximum allowable

pressure ratio of 2.7. Above a pressure ratio of 2.7 transonic velocities would be reached and 

since the model is of sub-sonic design it may yield problems. 

Sub-phase 1.d 

Co-author with LTH in a paper accepted for ASME TURBO EXPO 2002. Title: New 

Possibilities for Combined Cycles Through Advanced Steam Technology. 

Sub-phase 2.b 

One-dimensional mean-line aero-thermodynamic validation of an experimental two-stage 

axial air turbine shows an arrangement for a future experimental setup that may be feasible to 

employ in order to perform measurements for low volume flow rates encountered with partial 

admission. 

Time plan and Future work 

Phase 1 of the project started 1 st of June 2000 and is predicted to carry on for 2.75 years, i.e. 

to the 31:st of March 2003. Presently the project is in the middle of phase 2. 

The work in the near future will be focused on experimental (or possible numerical, see under 

Comments) work. The project will focus on: partial admission for small flow rate steam 

turbines; adding to the physical understanding of internal turbine losses of partial admission 

losses and losses in small flow rate machines; and determining the experimental (or 

numerical) setups. 

The long-term time plan consists of following phases: 

Description Starting time Duration Status Remarks 

Phase 1 01-06-2000 13 months Started 

Sub-phase 1.a Literature survey 01-06-2000 4 Finished 

Sub-phase 1.b Preparation work for running the test 01-01-2001 4 Finished 

turbine (in parallel with other studies) 

Sub-phase 1.c Identify interesting turbine concepts 

and designs in consultation with 

ALSTOM 

Sub-phase 1.d Produce a scientific paper for 

international publication 

01-01-2001 4 Started Partly finished 

01-05-2001 1 Finished Co-writer, ASME 

TURBOEXPO-02 

Phase 2 01-07-2001 21 months Started 

Sub-phase 2.a Propose and select key turbine 

Sub-phase 2.b 

parameters and methods to examine 

them experimentally 

Planning of tests, preliminary turbine 

trials 

01-07-2001 4 Started Detailed calc. on 

an axial two-stage 

test object 

01-11-2001 5 Started 

Sub-phase 2.c Perform main turbine trials 01-03-2002 3 Not started Delayed 

Sub-phase 2.d Post-processing 

results 

and analyze the 01-08-2002 4.5 Not started 

Sub-phase 2.e Produce a scientific paper for 01-04-2002 0.5 Not started Preliminary topic: 


Experimental 

trials 

Sub-phase 2.f Assimilate results and the 01-12-2002 3.5 Not started 

conclusions into thesis 

Sub-phase 2.g Produce a scientific paper for 01-09-2002 0.5 Not started Preliminary topic: 


Experimental 

results 

Work plan 

Phase 1

Sub-phase 1.a, 1.c 

The study is aimed towards steam turbine concepts and designs for small inlet volumetric 

flows, with the possibility to apply advanced steam data. It is important to identify and 

establish parameters that govern the operation of an efficient turbine as well as to establish the 

state of the art for the existing technology and research. 

Sub-phase 1.b 

Determine which experimental set-ups are most relevant for the test turbine. Ensure a high 

level of competence for operation of the test turbine by participating in ongoing turbine 

measurements. 

Phase 2 

Sub-phase 2.a 

Starting from the concepts and designs put forward in phase 1, decide on what to focus on in 

the experimental studies. Perform 1-D performance calculations on interesting designs. 

Sub-phase 2.b 

Decide the experimental set-ups and which/how the interesting parameters can be 

interpreted/achieved by measurements. Modify the test turbine and choose/adjust the 

measuring equipment for the tests. 

Sub-phase 2.c 

Measurements are performed and critical parameters evaluated for the chosen set-ups. 

Sub-phase 2.d 

With the aid of studies and experimental tests, interesting designs are discussed. 

Recommendation on how the achieved results may fit into existing and future CC and CHP 

cycles are especially taken into consideration. 

Sub-phase 2.f 

Summarize the results and conclusions in a report, and as a foundation for the Licentiate 

thesis. 

Comments 

If the planned trials are delayed well beyond the established time frame (due to reasons 

beyond the control of the student) a backup plan replacing sub-phases 2.c and 2.d will be 

considered. The turbine rotor wheels intended for this project broke down when ALSTOM 

was running tests and have not yet been replaced. As an alternative to experimental 

measurements, a numerical investigation of partial admission in axial turbomachines is 

proposed. The suggestion is to model and investigate annular stages during partial admission, 

especially directed towards small flow rate machines, with a 3D viscous CFD code. Onedimensional 

aerodynamic simulations and through-flow calculations have already been 

performed on a two-stage axial turbine during sub-phase 2.a and will work as a solid basis for 

an eventual numerical continuation. Every effort will be made to perform the experimental 

trials and they are strongly anticipated to be completed in reasonable time (once ALSTOM 

has approved the financing for replacing the rotor wheels). However, if there are serious 

delays, the above backup plan will allow the student to graduate with a Licentiate degree 

within the project time frame. 

Budget 

Phase 1 of the project has operated within the budget limitations established by STEM 2000- 

06-26. Phase 2 of the project will be operated within the budget limitations established 2001- 

11-26.

Förbränning för koldioxidfria processer 


Projektledare: Prof. Filip Johnsson 

Projektdeltagare: Klas Andersson (doktorand), Filip Johnsson, (även Lars Strömberg 

och Anders Lyngfelt deltar i projektet, dock finansierade på annat 

sätt) 


Beviljade medel: 1 997 000kr 

___________________________________________________________________________ 

Project description 

This project concerns CO2-free combustion for heat and power production by means of so 

called O2/CO2 combustion. With this is meant a process where the fuel is burnt in recirculated 

flue gas and oxygen. Such a combustion gives a flue gas with a high CO2 concentration 

(almost 100%), thus, lowering the cost for separation and storage of the CO2. The aim of the 

project is to get basic data for the process. The project, which is divided into a theoretical and 

an experimental part, should generate data and knowledge which can be used in process 

development and modelling of a commercial process with O2/CO2 combustion. At present, 

there is little such data available. The experimental part will be carried out in the laboratory of 

the department. 

Organization of project 

The overall aim of the project is to generate basic knowledge as a basis for further 

development of a CO2-free process for heat and power production. The project is divided into 

the following steps: 

1. Mapping of present knowledge. This should identify the key parameters to be 

investigated and what has been done previously. From this the strategy for the 

experimental tests is formed. 

2. Process evaluation. This is a technical feasibility study with the aim to get an overall 

picture of a ”real” process, including expected energy consumption in the air 

separation unit (for production of oxygen). Important are scaling effects. The aim of 

this step is to achieve a good principal understanding of the process and to identify 

critical parts in the process. This step is motivated by that overall process knowledge 

is important to be able to put the results from the combustion tests into their context. 

3. Design of the experimental rig with instrumentation. The aim is to make the unit 

flexible, to be able to vary the cooling of the furnace within a large range. Also, the 

mixing ratio of air/O2/CO2 should be as flexible as possible. 

4. Construction of the test rig. 

5. Test and evaluation of the test rig. 

6. Performance of test series.

7. Evaluation and reporting. 

2 

So far, activities have only been carried out in the three first steps (due to that until recently 

there was no PhD candidate available). Step 2 is completed and the current activities focus on 

establishment of a strategy for the experiments. 

Results 

Process evaluation 

The process evaluation focussed on integration of the air separation unit (ASU) with the 

power process, and design of a flue gas treatment scheme. Thus, a process scheme is proposed 

and evaluated. Also, emission data were obtained together with estimates of the investment 

cost of the plant. Commercial state-of-the-art data from an existing 2x865 MW power plant 

(Lippendorf) and commercial design data of large-scale ASU and auxiliary components 

(compressors, separators etc.) were used as bases for the study. 

The ASU is integrated with the power cycle and optimized with respect to purity of the 

product gas (95% O2). Since no air pre-heater is needed in the O2/CO2 plant, there is extra 

heat available, compared with the reference plant. Also, heat is recovered from the flue gas 

condenser introduced. Different alternatives for the use of these heat flows are proposed, such 

as heating of the Nitrogen flow in the ASU. Intercooling of the compressors, cooling to 

condensate the flue gas and to bring the carbon dioxide in a liquid state are provided by the 

ordinary cooling tower. Significant energy savings were obtained from the process 

integration. 

The flue gas treatment passage consists of units for cleaning from particulates, water 

condensation, dehydration, compression of the flue gas and separation of non-condensable 

gases. To meet the requirements for transport of the flue gas with respect to hydrate formation 

and corrosion, the gas is dehydrated after the traditional flue gas condensers. The process 

suggested permits deposition of the sulfur dioxide solved in the liquid carbon dioxide, i.e. 

there is no need for a conventional desulfurization unit. After dehydration the flue gas is 

compressed to 58 bars and cooled to 15°C, i.e. the carbon dioxide and sulfur dioxide are 

transformed to liquid state, and the non-condensable gases are separated. Before 

transportation, the pressure of the carbon dioxide is increased to a suitable level with a pump. 

The proposed plant, forms a near zero emission plant as 99.5% of the CO2 is separated from 

the flue gas, and very low levels of sulfur emissions, particulates and low emissions of nitrous 

gases are achieved. 

Since the O2/CO2 plant needs no desulfurization unit the total investment cost (including the 

ASU) is similar to that for a conventional. The extra energy consumption for the CO2 

separation and liquefaction reduces the output from the plant to 700 MW, compared to 865 

MW of the reference plant. 

Based on the results of the process evaluation, an abstract has been submitted to the GHGT6 

conference (Int. Conf. on Greenhouse Control Technologies). 

Test rig with instrumentation 

Detailed dimensioning of the test rig and design of measurement plan is carried out at present 

and is also the main focus of the activities in the near future. Since there is now a PhD

3 

candidate, the measurement strategy is evaluated in detail and a final strategy will be decided 

as soon as possible. The preliminary plan is to build the unit in the laboratory of the 

department and that it will be built by a company with previous experience from construction 

of similar units. A preliminary design has been developed and discussed with that company. 

Figure 1 gives an overall scheme of the unit and Figure 2 shows the outline of the furnace, 

which will have adjustable cooling and be equipped by measurement ports. Downstream the 

furnace, the flue gas is cooled in two heat exchangers, one being a flue gas condenser, given 

in Figure 3. Although there is a preliminary design, a more detailed study of the measurement 

strategy is carried out at present and this may change the strategy and/or the design of the 

unit. Also, part of the measurements may be performed on other test units in cooperation with 

another institute (contacts have been initiated with CANMET in Canada). The measurements 

will mainly consist of heat flux and radiation measurements using heat flux probes and 

radiation pyrometers. 

In parallel to the dimensioning of the test rig, the following steps are planned (work has been 

initiated): 

• Calculations of expected results with respect to radiation, heat transfer and soot 

formation at high levels of oxygen, carbon dioxide and moisture. 

• Evaluation of measurement methods (heat flux probes, radiation pyrometers, so called 

“IFRF” probe) 

• Choice of measurement method(s) 

• Establishment of detailed measurement plan 

• Possible modifications of the measurement plan 

The aim is to start building the test-rig as soon as possible. 

O 2 

fuel 

gas-fired furnace 

high temp 

flue-gas heat exchanger 

low temp 

flue-gas heat exchanger 

Figure 1. Principal scheme of the test rig for O2/CO2 experiments.

Cooling tubes 

4200 

300 

800 

600 

Adjustable cooling 

Burner 

FURNACE 

Measurement 

ports 

To heat 

exchangers 

Figure 2. The furnace of the test rig (the 

locations of the measurement ports are 

tentative). 

4 

High-temperature flue-gas 

heat exchanger 

Furnace outlet temperature 

down to approx. 200 C 

250 

Low temperature flue-gas 

heat exchanger (condenser) 

200 C down to min temp. 

250 

Cool piping 

system 

Cool piping 

system 

do = 

25 

250 

do = 

25 

250 

Condensed water 

outlet 

s2 = 40 

s2 = 40 

Cooling water 

in crossflow 

Cooling water 

in crossflow 

Figure 3. Flue gas heat exchangers. 

250 

250 

s1 = 40 

s1 = 40 

flue gas flow

Dynamisk processimulering för optimering av kraftvärmesystem 

on-line och off-line, Etapp 1 


Projektledare: Prof. Erik Dahlquist, Mälardalens Högskola, Västerås 

Projektdeltagare: M.Sc. Christer Karlsson, doktorand 

M.Sc. Daniel Häggståhl, doktorand 



Referensgrupp: Ulf Arvidsson, Elforsk (Fadder), Erik Olsson,CTH 

___________________________________________________________________________ 

Projektbeskrivning (Project description) 

Syftet med projektet är att ta fram en generell on-line simulator för kraftverk. Modellen är 

objektorienterat uppbyggd med alla funktioner i ett kraftverk modellerat. Modellerna ger både 

en simulering av själva processerna och optimering av desamma. Detta möjliggör att kunna 

använda samma processmodell för många olika applikationer, allt från operatörsträning och 

processdesign till on-line applikationer som att diagnosticera såväl mätgivares och processers 

kondition och processoptimering. 

Projektet använder huvudsakligen matematiska processmodeller, som programmeras i C-kod 

VB eller VisFortran. Modellerna anpassas till processdata, som erhålles från anläggningarnas 

informations/DCS system. 

Olika beräkningsalgoritmer knytes sedan till modellerna för att få optimerings- respektive 

diagnostikfunktionerna. Dessa algoritmer bygger på metoder kända från vetenskapliga 

publikationer kompletterade med egen funktionalitet. 


1. Först gör vi en simulatormodell över en komplett anläggning för förbränning med FBC 

(Fluidized Bed Combustion), kraftväremverket i Västerås,(Mälarenergi), inkluderande en 

cykel med ångturbin och fjärrvärmenät med ackumulatortank 

2. Först provas optimering off-line, där olika drifttillstånd matas in manuellt genom en fil. 

Detta för att testa robusthet med olika optimeringsstrategier. Data från DCS/info-systemet 

användes för optimering av de olika delarna av systemet tillsammans. ”Optimeraren” 

föreslår planeringsplan för hur anläggningen skall köras under den närmaste framtiden 

3. Signaldiagnostiska metoder implementeras för dels enskilda signaler, såsom brusighet 

eller död signal, dels för grupper av signaler. I det senare fallet utnyttjar vi 

kontinuitetssamband som råder i alla fluider. Signaldiagnostiken är ett medel att få 

tillförlitliga data , för att kunna göra optimeringen. Samband mellan tryck och flöden, 

såväl som energi- och materialbalans i samband med förbränning beräknas med 

simuleringsmodellen. Mätdata från DCS systemet laddas in i simuleringsmodellen. Ifall vi 

antar att det är 10 mätsignaler vad gäller flöden, tryck och temperaturer, användes nio för 

att prediktera den tionde. Resultatet jämföres med det verkliga mätvärdet. Skillnaden 

mellan predikterat värde och verkligt mätvärde analyseras. Ifall trenden är divergerande 

kan orsaken vara en förändring i processen eller drift i sensorn. Metoden upprepas med de 

andra signalerna, där samma signal ingår i flera grupper, för att avgöra orsak till 

eventuella avvikelser- vilken är det som avviker? Ett analysträd bygges upp för on-line

analys. Som komplement för att avgöra troligast fel göres ”bump-tester”, där små 

förändringar av t.ex. fläktvarvtal göres. Responsen ger större säkerhet i analysen. 

Provskott för fem typfall köres off-line mot processmodellen 


Har gjort en relativt enkel optimeringsmodell, inkluderande fjärrvärmebehov som funktion av 

temperatur ute, uppvärmning av returvatten med rökgaskondensor, turbinkondensor, två 

värmepumpar och en hetvattenpanna. Variation av returtemperaturer resp. ingående 

vattentemperatur, såväl som elpris, värempris och kostnader för pumpenergi resp. bränsle. 

skatteeffekter. Effekt av olika bränslen. Nettovinst för olika driftfall beräknas, och det 

optimala ges som rekommendation för hur man skall köra. Gäller Mälarenergi i Västerås. Har 

testats off-line. 

Vi har också gjort ett diagnostiksystem för economisers vid ENA-kraft. Målet är att hålla 

kontroll på sensorerna, beläggningar osv. Har gjorts på lab så här långt, men skall 

implementeras on-line ifall känslighetsanalysen visar på att systemet är tillräckligt robust. 

En matematisk modell över panna 4, en kolpulvereldad panna vid Mälarenergi (med 

inblandning av pellets), har tagits fram. En modell för panna 5, en biobränsleeldad CFB 

panna, är under utarbetande. Kvar att ” tuna” cyklonmodellen mot verkliga data. Fyrkantig 

cyklon lite speciellt. 

En modell över EvGTanläggningen på LTH har tagits fram. Skall användas i ett samarbetsprojekt 

initierat av förra TPS programkonferensen. Den fysikaliska processmodellen skall 

användas tillsammans med neuralt nätmodell för uppfuktaren. Den senare göres av LTH. 

Verkliga experimentella data från pilotanläggningen har utnyttjats. 

Hela modellen användes för att diagnosticera problem och styra turbin- anläggningen, och för 

processoptimering på sikt. 

Ett grafiskt interface med bild i html, som aktiveras med ASP har tagits fram. Kan användas 

för att köra simulatorn beskriven ovan från en web-sida. Knytning till själva simulatorn är inte 

klar, men arbetet pågår, via SQL-databas (utanför projektplanen). 

Vetenskapliga artiklar: 

1. Erik Dahlquist and Tomas Lindberg, Malardalen Univ. and ABB, Christer Karlsson, 

Malardalen University, Galia Weidl, ABB Corporate Research, Carlo Bigaran and Austin 

Davey,Visy Pulp and Paper: “Integrated process control, fault diagnostics, process 

optimization and production planning – Industrial IT”. Paper for 4 th IFAC Workshop on 

ON_LINE FAULT DETECTION AND SUPERVISION IN THE CHEMICAL PROCESS 

INDUSTRIES, June 8-9, 2001, Seoul, Korea 

2. Paper submitted for FOPACO januari 2003 i Florida: 

3. Daniel Häggståhl, Erik Dahlquist,Mälardalen University,” Physical Modelling of a 

Compact Circulating Fluidised Bed Boiler” .Paper submitted to Infub.


Som framgår av resultaten har vi lagt till vissa funktioner, som inte fanns med från början. 

Detta har skett i samråd med referensgruppen, och har initierats av de kontakter som slöts vid 

programkonferensen i Göteborg 2001 mellan doktoranderna från MdH och LTH. 

I övrigt har projektet huvudsakligen löpt enligt planerna. Från början var det tänkt att 

implementera optimeringsfunktionen ”on-line” vid Mälarenergi, men beroende på 

resursproblem på Mälarenergi har detta skjutits något i tiden (igångkörning av nya biopannan 

5 har tagit deras resurser i anspråk under 2001). 


Vi är nu i mitten av projektet (start 1 sept 2000). I första hand skall vi göra vad som är 

planerat. 

I första hand diagnostikmodellen kopplas till Info-systemet, så att ett antal DCS signaler av 

intresse kan laddas ner som ett ”snap-shot” on-line, för att utgöra insignaler till 

simuleringsmodellen. Process och sensordiagnostik utföres. 

Modellen användes härefter ”on-line” (utnyttjar verkliga data, men bara någon gång per dygn) 

för optimerings/diagnostik/planerings ändamål. Olika strategier med bivillkor implementeras, 

utifrån off-line utvärderingen tidigare.. 

Olika Signaldiagnostiska metoder implementeras och utvärderas vid kraftverk (se mer detaljer 

tidigare). 

Se påbörjat samarbete med LTH ( Tord Torisson) ovan

Kraftprocess med avskiljning av CO 2 genom förbränning i ett 

tvåstegsförfarande - chemical looping combustion 


Projektledare: Bitr. prof. Anders Lyngfelt 

Projektdeltagare: Paul Cho, doktorand, Seniora forskare (till viss del finansierade 

genom projektet): dr. Britt-Marie Steenari, doc. Vratislav Langer, 

doc. Sten Eriksson, Seniora forskare (annan finansiering): dr. 

Tobias Mattisson, bitr. prof. Anders Lyngfelt 



Referensgrupp: Sven Jansson (fadder, Svenergy Consultants), Lars Strömberg 

(Vattenfall) Sven-Olov Ericsson/(Clas Ekström) (Vattenfall, IEA 

Greenhouse gas R&D Executive Committe), Karl-Johan Nilsson/ 

(Torsten Strand) (Alstom Power) 

___________________________________________________________________________ 


Avsikten med projektet är att utveckla en termisk process för elproduktion vid vilken CO 2 

avskiljs i samband med förbränningen. Den föreslagna processen bygger på att förbränningen 

utförs i två separerade steg med en syrebärare i form av metall-/metalloxidpartiklar som 

överför syret från förbränningsluften till bränslet. I det ena steget, i "luftreaktorn", upptas 

syre av syrebäraren och i det andra steget, i "bränslereaktorn", avges syret till bränslet, se 

figur 1. Som reaktorer används ihopkopplade fluidiserade bäddar och systemet har likheter 

med en vanlig cirkulerande fluidiserade bädd, se figur 2. 

Genom att de två stegen sker i två olika reaktorer får man två utgående gasflöden. Flödet 

från luftreaktorn innehåller kvävgas och oreagerat syre, medan flödet från bränslereaktorn 

innehåller vattenånga och koldioxid. Vattnet kan enkelt kondenseras bort och på så sätt fås 

koldioxiden i ren form. Det kan alltså ske utan att någon egentlig energi har uppoffrats. 

Detta skiljer denna processlösning från kända processer för avskiljning av koldioxid, vilka 

medför så stora energiförluster att verkningsgraden för ett kraftverk med CO 2-rening skulle 

minska med uppemot 10 procentenheter. Denna nya förbränningsteknik ger förutsättningar 

för en kraftprocess med mycket högre verkningsgrad och därigenom väsentligt lägre kostnad, 

jämfört med andra processer med avskiljning av CO 2. En ytterligare fördel med processen är 

att den inte ger några andra gasformiga emissioner, såsom t.ex. kväveoxider. 


Ett långsiktigt mål är att ta fram det underlag som behövs för att förverkliga ett kraftverk som 

är baserat på denna process. Detta kraftverk skall ha en hög avskiljning av koldioxid, inga 

andra emissioner, hög verkningsgrad och konkurrenskraftig kostnad. I ett första steg är 

naturgas ett lämpligt bränsle, men processen bör också utvecklas för användning med icke 

gasformiga bränslen, t.ex. biobränsle, genom att en förgasningsdel infogas i processen. Det 

långsiktiga målet är självfallet inte möjligt att nå inom ramen för detta projekt. 

Målsättningen med arbetet vid Chalmers och samarbetet med KTH är att demonstrera 

tekniken och dess möjligheter på ett sådant sätt att det finns underlag för en mera omfattande 

industriell satsning på att utveckla processen i full skala.

Nedan anges viktiga delmål, dvs den kunskap som skall genereras, för den del av 

projektet som omfattas av energimyndighetens anslag: 

1) Kinetiska data för reduktion och oxidation av syrebärare samt reaktionsprodukter från 

oxidation av bränsle skall finnas tillgängligt för bedömning av hur en process kan utformas. 

2) Kunskap om hur man tillverkar syntetiska syrebärare med goda egenskaper. En 

målsättning är att få fram syrebärare med egenskaper som i alla avseenden uppfyller de krav 

som kan ställas för att de skall kunna användas i en fungerande kraftprocess. 

3) Fysikaliska data för syrebärare, såsom sintringsbenägenhet och nötningsegenskaper, 

skall vara bestämda för att kunna verifiera ovanstående. 

Lic-examen är planerad under slutet av våren och skall omfatta hittillsvarande publikationer 

samt en kommande publikation avseende den försöksserie som är påbörjad. 


Som en bakgrund sammanfattas kort tidigare uppnådda resultat i etapp 1, 99-09 till 00-08. 

Försöksutrustning byggdes upp och försök gjordes med naturlig hematit. Fortsatta försök 

gjordes med syntetiska syrebärare av hematit och aluminiumoxid som tillverkats i samarbete 

med Svenska keraminstitutet. 

Etapp 2, del A, första halvåret (2000-09-01 till 2001-03-01): 

Försöksutrustningen har gjorts om så att det skall vara möjligt att göra försök under 

fluidiserade förhållanden. (Tidigare försök är utförda i stationär bädd.) Vidare har reaktorn 

utrustats med ytterligare termoelement för mätning direkt i partikelbädden. Nya försök under 

fluidiserade förhållanden och med minskad halt av syre, 5%, under oxidationsfasen har 

utförts. (Det senare i syfte att minska temperaturökning under oxidationsfasen.) Dessa försök 

har utförts med samma partiklar som användes i det gamla systemet och tidigare tendenser till 

agglomerering av partiklarna har försvunnit. 

Vidare är det klart att under de fluidiseringsförhållanden som råder i reaktorn med 

fluidiseringshastigheter av i storleksordningen 10 cm/s, så är fragmentering/nötning av 

partiklar liten vid de försök som körts. En mindre förlust av bäddmaterial har noterats, i 

storleksordningen några procent, men detta kan även vara mindre partiklar som inte avskiljts i 

siktningen utan genom vidhäftning följd med de större partiklarna. 

Utrustning för att mäta partiklarnas hårdhet har införskaffats, testats och använts för att 

bestämma partiklarnas hårdhet. Detta görs genom mätning på individuella partiklar av den 

tryckkraft vid vilken de går sönder vid successivt ökande belastning. På så sätt har hårdheten 

hos olika tillverkade partiklar kunnat rangordnas. De partiklar som har haft högst reaktivitet 

har visat sig vara mindre hårda. 

Nya syntetiska partiklar med varierande halt aluminiumoxid har tillverkats. Tester och 

utvärdering påbörjades och preliminära resultat redovisades vid programkonferens i mars 

2001. Dessa avslutades under nästa del av etappen, se nedan. 

Utrustning för att tillsätta vattenånga tillsammans med bränslet har byggts upp. Syftet är att 

kunna köra reaktorn med låga mängder prov så att reaktionshastigheten under oxidationsfasen 

kan bestämmas. (Detta är endast möjligt om bränslet späds med exempelvis vattenånga då låg 

omvandling under reduktionsfasen annars leder till omfattande koksbildning. Tidigare försök 

att bestämma oxidationshastigheten har därför inte kunnat göras under cykliska förhållanden.)

En analys av resultaten visar tydligt att reduktionen av hematit till magnetit, ger hög 

omvandling till koldioxid, upp till 100%. Det har däremot visat sig att den fortsatta 

reduktionen till wustit är olämplig, då reduktionen till wustit är jämviktsstyrd vilket innebär 

att full omvandling av metan inte kan fås. Det är också troligt att wustitbildning är negativt ur 

hållfasthetssynpunkt. Fortsatta försök kommer därför att inriktas på att undvika 

wustitbildning. 

Etapp 2, del B, (2001-03-01 till 2002-03-01 ): 

Den ovan nämnda försöksserien under fluidiserade förhållanden avslutades. Serien 

innefattade partiklar med den aktiva oxiden Fe2O3 med bärare av Al2O3 i tre olika 

blandningsförhållande: 40, 60 och 80% Fe2O3. Vidare testades 60% Fe2O3 och 40% MgO. 

För Fe2O3/Al2O3 (60/40) tillverkades en större mängd vilket möjliggjorde försök med sex 

olika bäddmassor. Vidare testades dessa partiklar vid två storlekar. Resultaten var goda för 

40 och 60% Fe2O3, medan partiklar med 80% Fe2O3 liksom partiklarna med bärare av MgO 

var mycket mindre reaktiva. 

Utvecklingen av ny försöksmetodik med närvaro av vattenånga har fortsatt och testats vid en 

ytterligare försöksserie. Denna innefattar fyra olika aktiva metalloxider - Fe, Mn, Ni och 

Cu - på bärare av Al2O3. Partiklarna är tillverkade i samarbete med Keraminstitutet, och 

Paul har medverkat direkt i tillverkningen för att få goda kunskaper om denna. För 

närvarande pågår försök med dessa partiklar. 

Cho, P., Mattisson, T., and Lyngfelt, A., (2002) "Reactivity of iron oxide with methane in a laboratory 

fluidized bed - application of chemical-looping combustion", 7 th Int. Conf. on Fluidized Bed 

Combustion, Niagara Falls, Ontario, May 5-7, 599-606. 

Mattisson T, Lyngfelt A and Cho P (2000a). The use of iron oxide as an oxygen carrier in chemicallooping 

combustion of methane with inherent separation of CO 2, Fuel Vol. 80 (2001) 1953-1962. 

Mattisson, T., Lyngfelt, A. and Cho, P. (2000b) Possibility of using iron oxide as an oxygen carrier for 

combustion of methane with removal of CO 2 - Application of chemical-looping combustion. Fifth 

International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Cairns, Australia, 13th-16th 

August. 


Projektet har, som framgår av ovanstående, gjort framsteg inom samtliga tre ovan 

formulerade målsättningar: 1) kinetikdata, 2) partikeltillverkning, 3) fysikaliska data. 

1) Nya kinetikdata har tagits fram och försöksmetoder och försöksutrustning har utvecklats 

sedan etapp 1 så att reaktiviteten kan utvärderas på ett bättre sätt. 

2) Arbetet med partikeltillverkning har gett ökad erfarenhet och större kunskaper. 

3) Mätningar av partiklars hårdhet har utförts och kvalitativa studier av nötning/fragmentering 

samt agglomerering har kunnat göras under fluidiserade förhållanden. De tendenser till 

agglomerering av partiklar som noterats under etapp 1 har försvunnit genom bättre kontroll av 

partikeltemperaturen under oxidationsfasen. 

En analys av processen visar vilken reaktivetet som behövs för en realistisk process. En 

jämförelse visar att undersökta partiklar har en tillräcklig reaktivitet.


Arbetet kommer att fortsätta med inriktning på att tillverka partiklar med olika blandningar av 

metaller för att få fram partiklar som har goda egenskaper både när det gäller 

reaktionshastighet och övriga egenskaper, såsom liten tendens till fragmentering och 

agglomerering/sintring. Dessa nya syrebärare kommer att undersökas både med avseende på 

kinetik och andra egenskaper. Det är väsentligt att bygga upp en bred kunskapsbas om hur 

tillverkningsprocessen och om hur olika sammansättningar av syrebäraren påverkar dess 

kinetiska och fysikaliska egenskaper.

Appendix. Principschema för Chemical Looping Combustion 

N 2, O 2 

Air 

reactor 

Air 

MeO (+ Me) 

Me (+ MeO) 

CO 2, H 2O 

Fuel 

reactor 

Fig. 1. Tvåstegsförbränning med chemical-looping combustion. MeO/Me betecknar partiklar 

som består av en mer eller mindre oxiderad metall. (En fullständig omvandling mellan 

metalloxid och metall behövs inte.) 

1 

air 

2 

3 

flue gas 

H O 

2 

fuel noncondensible 

gas 

bleed 

Fig. 2. Chemical-looping combustion med två hopkopplade fluidiserade bäddar som 

partiklarna cirkulerar mellan. 1 luftreaktor; 2) cyklon; 3) bränslereaktor 

Fuel 

CO2

Katalytisk förbränning av förgasat biobränsle i gasturbiner - 

Catalytic Combustion of Gasified Biomass in Gas Turbines 



Projektdeltagare: Jürgen Jacoby (100%), Philippe Thevenin (50%), Jan Fredriksson 

(10%) 



Referensgrupp: Rolf Gabrielsson (VAC), Lars Waldheim (TPS), Magnus Callavik 

(ABB Corp. Research), Sven Järås (Kemisk Tekonologi-KTH) 

___________________________________________________________________________ 


This project attempts to combine two technologies in the field of energy production, which 

have experienced an increasing interest in research, namely gasified biomass and catalytic 

combustion. Catalytic combustion has been investigated by numerous research groups in both 

academic and commercial fields as it offers high efficiency combustion at low emission 

levels, a feature which has become essential to meet today’s stringent emission regulations. 

Single-digit emissions levels of nitrogen oxides, carbon monoxides and unburnt hydrocarbons 

have already been demonstrated using natural gas as a fuel source. Gasified biomass offers the 

potential for reducing net emissions of carbon dioxide as a greenhouse gas. A reduction of 

nitrogen oxides as a combustion product is of interest as its oxidation in the earth atmosphere 

results in the formation of secondary pollutants which are potentially more harmful than the 

precursor itself. The purpose of the catalyst is to allow a stable reaction process of lean fuelto-air 

mixtures. Biomass is an attractive fuel source due to its abundance. It has to be said 

though that this statement is only valid in certain geographical regions of the world. Through 

advanced gasification technologies, e.g. the circulating fluidized bed technology, biomass can 

be converted into a combustible gas which can in turn be used to fire a gas turbine for energy 

production. Gasified biomass has some distinct characteristics resulting in great demands on 

the combustor. Even though rich in hydrogen and carbon monoxide, its low-heating value 

requires a technique to maintain a stable combustion, difficult to achieve via flame 

combustion. Furthermore it has a potentially high level of ammonia, which may generate 

emissions of nitrogen oxide. 


Overall aim of the project is to investigate the feasibility of firing a gas turbine which is 

equipped with a catalytic combustion chamber with a low-heating value fuel derived from 

gasification of biomass, e.g. wood chips. Monitoring of the emission levels is essential in 

order to meet the required standards. 

Jürgen Jacoby defended his Ph.D. thesis on Oct 25 th , 2001, preliminary date for the 

disputation of Philippe Thevenin is April 2002. 


A test facility for studying the catalytic combustion of a gas similar in its characteristics to 

gasified biomass has been designed and successfully taken into service. The tested catalyst 

arrangements and catalyst properties are listed in Table 1.

The Pd impregnated hexaaluminates have shown excellent activity for the combustion of 

hydrogen and carbon monoxide. It can be concluded the Pd impregnated hexaaluminates 

catalyst is suitable as the first catalyst in a fully catalytic combustor. It was found that a layer 

Catalyst 

Configuration 

Segment 

1 

Segment 

2 

Segment 

3 

Segment 

4 

Segment 

5 

I Pd / LHA ----- ----- ----- ----- 

II Pd / LHA Pd / LHA ----- ----- ----- 

III Ba / Pd / LHA Pd / LHA ----- ----- ----- 

IV Ba / Pd / LHA Pd / LHA LMHA LMHA LMHA 

Catalyst name Washcoat 

(abbreviation) 

Washcoat 

loading 

[wt%] a) 

Pd 

loading 

[wt%] b) 

Pd / LHA LaAl11O18 (LHA) 20 5 

Ba / Pd / LHA LaAl11O18 (LHA) 20 5 

LMHA LaMnAl11O19 (LMHA) 20 0 

a) relative to monolith weight b) relative to washcoat weight 

Table 1: Investigated catalyst arrangements and properties. 

of Ba-Al2O3 

serves as a 

thermally 

insulating 

layer to prevent 

the active 

material 

on the catalyst 

from 

volatilization. 

The catalyst 

inlet temperature 

is an 

effective tool 

for controlling 

the catalysttemperature 

under 

stable operation conditions. At combustion temperatures above 950 K, no hydrogen was detected 

in the exhaust gases, complete combustion of this species can be assumed. Highest 

outlet temperatures and thus lowest emission levels of hydrocarbons and CO were achieved 

with catalyst configuration IV. Different fuel compositions have been tested. CO emissions 

below 25ppm @15%O2 have been achieved at catalyst outlet temperature of 1250 K. Different 

amounts of NH3 were added to the fuel supply to study the formation of NOx from fuelbound 

N-compounds. NOx was never measured in a NH3-free fuel. With NH3 present in the 

fuel at levels typical for gasified biomass, NOx emissions were in the range of 300 to 500 ppm 

@15%O2. The measured absolute pressure drop over the combustor was at maximum 3 kPa, 

which is well below the top limit of 5%. 


The test facility has shown its feasibility to test various catalyst arrangements for 

combustion of a low-heating value fuel. The performed experimental work has shown the 

need for improvements to the test facility in order to raise the scientific quality of the 

experiments. 


As stated, the test facility should be modified. Main task will be to remove the gas reactor 

and the subsequent fuel cooling system and replace this by a new fuel supply system. A mass 

flow measurement system will be mounted in order to specify the air mass flow into the 

combustor. On the catalyst side of the project, focus should be put on the possibility to 

separate fuel oxidation and oxidation of NH3. the use of appropriate catalysts may enable to 

oxidize ammonia to nitrogen oxide selectively, leaving CO and H2 unreacted in the gas 

stream. They can be used (CO and H2) to further react and reduced NOx to harmless nitrogen. 

Results from the above mentioned items will lead to a profound knowledge in catalyst 

behavior and performance, allowing to define the optimum catalyst / operation condition for a 

given system.

ATAC i system - Energimyndigheten

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?