Bioenergie mit CO2-Abscheidung und -Speicherung (BECCS) ist eine Schlüsseltechnologie zur CO2 Reduktion in der Atmosphäre und ein wesentlicher Bestandteil von Szenarien zur Verhinderung eines starken Temperaturanstiegs aufgrund des anthropogenen Klimawandels. Die Verbrennung von staubförmiger Biomasse in einer Oxy-Fuel Atmosphäre, die hauptsächlich aus CO2, O2 und H2O besteht, ist ein vielversprechender Ansatz für eine anschließende effiziente CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS). Die veränderten Bedingungen in der Oxy-Fuel Atmosphäre führen zu erheblichen Unterschieden im Verbrennungsprozess und bei der Flammenstabilität. Obwohl an der Oxy-Fuel Verbrennung in den letzten Jahrzehnten viel geforscht wurde, sind die Grundlagen der komplexen strömungsmechanischen, partikeldynamischen und chemischen Prozesse und ihre Wechselwirkungen bei der Verbrennung von staubförmigen Festbrennstoffen nicht vollständig verstanden.

In dieser Arbeit wurde eine Brennkammer (SFC) untersucht, in der gasunterstützte Staubflammen mit thermischen Leistungen bis zu 70 kWth betrieben wurden. Der SFC stabilisiert eine Drallflamme und besitzt wichtige Eigenschaften moderner Brenner, bei gleichzeitig guter optischer Zugänglichkeit. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf dem brennernahen Bereich, in dem die Flamme stabilisiert wird und mehrere wichtige Verbrennungsprozesse wie die Partikelaufheizung, die Ausgasung und Verbrennung von Volatilen, der Beginn des Koksabbrands und die Vermischung von Partikel- und Gasphase stattfinden.

Multi-Parameter-Studien mit optischer Laserdiagnostik wurden durchgeführt, um unser Verständnis der Verbrennung staubförmiger Brennstoffe unter Oxy-Fuel Bedingungen zu verbessern. Die optische Laserdiagnostik ermöglicht in-situ-Messungen von Strömungs- und Skalarfeldern mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung, während der Prozess dabei nicht oder nur wenig beeinflusst wird.

Die Strömungsdynamik und Partikeltemperaturen im brennernahen Bereich wurden analysiert, um unser Verständnis der Flammenstabilisierung, des Ausbrandverhaltens und der Ausbrandrate zu erweitern. Das Strömungsfeld, die Vermischung von Partikel- und Gasphase, Partikeltrajektorien sowie Gas- und Partikelverweilzeiten wurden mit Hilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) und Particle Tracking Velocimetry (PTV) untersucht. Partikeltemperaturen wurden zu verschiedenen Zeitpunkten während der Verbrennung mit einem Zweifarben-Pyrometer gemessen und analysiert.

Der Einfluss der Sauerstoffkonzentration und des Brennstofftyps auf den Verbrennungsprozess, die Flammenstabilisierung und die Schadstoffbildung wurden untersucht. Die Flammenstabilisierung wurde auf Basis von CH* Chemilumineszenz, Strömungsfeldern, Partikelgeschwindigkeiten und Gastemperaturen analysiert, die mithilfe von CH* Chemilumineszenzmessungen, einem Zwei-Phasen-PIV/PTV-Ansatz und tomographischer Absorptionsspektroskopie (TAS) gemessen wurden. Der Verbrennungsprozess und die Schadstoffbildung wurden anhand von Strömungsfeldern und Temperaturverteilungen in Kombination mit qualitativen Messdaten von Ruß und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) analysiert, die mit einem quasi-simultanen Laser-induzierten Fluoreszenz/ Laser-induzierten Inkandeszenz (LIF/LII)-Aufbau bestimmt wurden.

Ein Ansatz für die kohärente-Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS) basierend auf O2 und CO2 wurde entwickelt, experimentell validiert und erfolgreich auf die Oxy-Fuel Verbrennung von Biomasse angewendet, um den thermochemischen Zustand zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb des Verbrennungsprozesses zu untersuchen. Diese Untersuchungen sind die ersten CARS-Messungen in partikelbeladenen reaktiven Strömungen, die über eine Demonstration hinausgehen. Unter Verwendung des O2-CO2-CARS-Aufbaus wurden radiale Profile der Gastemperatur und der O2-/CO2-Molenbrüche bestimmt und für verschiedene Sauerstoffkonzentrationen unter Oxy-Fuel Bedingungen analysiert.

Die vorgestellten Ergebnisse bieten neue Einblicke in den Verbrennungsprozess fester Brennstoffe unter Oxy-Fuel Bedingungen, die über den Stand der Forschung hinausgehen, und einen einzigartigen umfassenden Datensatz zur Validierung numerischer Simulationen.