Becker, Lukas Georg (2019)
Untersuchung von gasassistierten Staubflammen mittels Lasermesstechnik.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Mittelfristig wird Kohle ein wichtiger Energieträger für die Stromerzeugung bleiben. Kohlendioxid-Abscheidung und –Speicherung (CCS) bietet eine Möglichkeit die Emission von Kohlendioxid bei der Kohleverstromung drastisch zu reduzieren. Um CCS bei der Kohleverstromung zu nutzen, muss das Kohlendioxid vom restlichen Abgas abgeschieden werden. Eine Möglichkeit zur effizienten Abscheidung bietet das Oxyfuel-Verfahren. Dabei wird Luft als Verbrennungsatmosphäre durch eine Mischung aus Kohlendioxid und Sauerstoff ersetzt, wodurch die abschließende Abscheidung stark vereinfacht wird. Für die Auslegung von zukünftigen Anlagen zur Kohleverstromung im Oxyfuel-Verfahren wird ein verbessertes Verständnis der zugrundeliegenden Phänomene benötigt. Um die wechselseitige Interaktion von chemischen Reaktionen, Partikeldynamik und Strömungsmechanik zu untersuchen, müssen verschiedene Parameter simultan bestimmt werden. Lasermesstechnik bietet dabei den Vorteil der geringen Invasivität und der hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung. Lasermesstechnik wurde in der Kohleverbrennung hauptsächlich an offenen Laborflammen eingesetzt, da diese die benötigte gute optische Zugänglichkeit bieten. Für die Untersuchungen dieser Arbeit wurde eine geschlossene Brennkammer mit hervorragender optischer Zugänglichkeit konstruiert. Auch der Diffusor, der sich bei vielen Kohlebrennern an die Brennerdüse anschließt, ist für optische Messungen zugänglich. So konnten erstmals Messungen in diesem für die Flammenstabilisierung wichtigen Gebiet durchgeführt werden. Die Komplexität der Messungen wurde nach dem Vorbild des TNF-Workshops schrittweise von der nicht reagierenden Einphasenströmung zur reagierenden Zweiphasenströmung erhöht. Zur simultanen Messung von Partikel- und Gasphasengeschwindigkeiten wurde ein Zweiphasen PIV/PTV System an die Kohlestaubverbrennung adaptiert und erstmals dort erfolgreich eingesetzt. Durch die simultane Messung konnten die für die Partikelverbrennung wichtigen Schlupfgeschwindigkeiten berechnet werden. Laserinduzierte Fluoreszenz von aromatischen Kohlenwasserstoffen wurde verwendet, um in einer geschlossenen Brennkammer Regionen mit starker Pyrolyseaktivität zu lokalisieren. Anhand der nicht-reagierenden Einphasenströmung wurde die für den Brenner charakteristische Strömung ermittelt. Sie zeigt einen für Drallbrenner typischen Wirbelzusammenbruch und eine schnelle Hauptströmung entlang der Diffusorwand. Anhand der reagierenden Einphasenströmung konnte mittels OH-LIF die charakteristische Form der Gasflamme bestimmt werden. Die Eintrittsbedingungen mit partiell vorgemischtem Primärstrom bedingen eine Diffusionsflamme an der Brennerdüse, die weiter stromab durch Wärmeeintrag aus der Rezirkulationszone und Mischungsvorgänge der beiden Eintrittsströme vermutlich zu einer partiell vorgemischten Flammencharakteristik übergeht. Anhand der nicht-reagierenden Zweiphasenströmung wurden simultan Gas-, Partikel- und Schlupfgeschwindigkeiten bestimmt. Dadurch konnte die unterschiedliche Bewegung von Gas und großen Partikeln ermittelt werden. Durch die Geometrie von Brenner und Diffusor verweilen die großen Brennstoffpartikel lange in der Rezirkulationszone, was ihren schnellen Umsatz fördert. Anhand der reagierenden Zweiphasenströmung wurde die Interaktion der Zweiphasenströmung mit den Ausgasungsprozessen untersucht. Die Partikelbewegung führt nicht nur zu einer langen Verweilzeit der großen Partikel, sondern auch zu einer starken Entgasungsreaktion bei ihrem Eintritt in die Rezirkulationszone. Anhand von Parameterstudien in der reagierenden Zweiphasenströmung wurden Unterschiede in der Strömung bei verschiedenen Kohlebeladungen und Kohlesorten untersucht. Eine erhöhte Kohlebeladung führt dazu, dass die thermische Expansion verzögert wird, da die Partikel zunächst als Wärmesenke fungieren, bevor ihr Brennstoff durch Reaktion zu einer Expansion des Gases führt.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen