Feststoffverbrennung

 

Im Zuge der Energiewende gewinnen biogene Brennstoffe zunehmend an Bedeutung, insbesondere die Substitution fossiler Energieträger durch nachwachsende Rohstoffe spielt dabei eine immer größer werdende Rolle. Die Veränderte Brennstoffzusammensetzung gegenüber Kohle, führt dabei zu veränderter Reaktionskinetik, und somit auch zu Unterschieden im Partikelabbrand und hat damit Einfluss auf Flammendynamik, -temperatur und -chemie.

In der Forschungsgruppe Feststoffverbrennung werden verschiedene Aspekte abgedeckt, angefangen bei der Untersuchung einzelner Verbrennungsteilprozesse – wie etwa der Produkte und Kinetik während Pyrolyse und Koksabbrand – über das Strahlungsverhalten unterschiedlicher Festbrennstoffe bis hin zur Untersuchung an Staubflammen im Technikumsmaßstab (Größenordnung 10-180 kW_th) und schließlich der Simulation und Untersuchung großtechnisch ausgeführter Feuerungen.

Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeiten in den vergangenen Jahren bildet dabei die Oxyfuel-Verbrennung als eine mögliche Technologie zur CO₂-Abscheidung aus Verbrennungsprozessen (CCS: Carbon Capture and Storage). Mit dem Schritt in Richtung Biomasse-Oxyfuel Verbrennung, wird im Verbund mit der Ruhr-Universität Bochum und der TU Darmstadt im Rahmen des SFB TRR Oxyflame das notwendige Wissen für die in Zukunft dringend benötigte BECCUS (Bio Energy Carbon Capture Usage and Storage, also der Abscheidung von CO2 aus der Biomassefeuerung) generiert. Somit tragen diese Arbeiten dazu bei, das Ziel der notwendigen Reduktion von CO₂-Emissionen, um den globalen mittleren Temperaturanstieg auf 1,5°C zu begrenzen, ein Stück erreichbarer zu machen.

In diesem Kontext wurde auch die Aufbereitung und Verarbeitung erneuerbarer biogener Brennstoffe untersucht, mit der Torrefizierung von Biomasse. Mit diesem Röstverfahren, kann die Lagerungs- und Transportfähigkeit von Biomasse zu Feuerungszwecken signifikant verbessert werden. Weiterhin können Kinetiken und Feuerungsverhalten der so optimierten Bio-Brennstoffe mit den Methoden der anderen Projekte untersucht werden.

(Aktuelle) Projekte

In der Forschungsgruppe Feststoffverbrennung werden aktuell verschiedene Bereiche der thermischen Nutzung von Festbrennstoffen untersucht:

• Experimentelle Untersuchung der Verbrennung staubförmiger Biomasse zur Validierung von numerischen Modellen in Luft- und Oxyfuel-Atmosphäre im Leistungsbereich 40-180 kW_th (Oxyflame C1)
• Anorganische Feinstaubbildung bei der turbulenten Kohlenstaubverbrennung (Joint Sino-German PM Formation)
• Numerische Simulation (RANS) der experimentell untersuchten Flammenkonfigurationen für eine gemeinsame tiefergehende Untersuchung (Oxyflame C1, Joint Sino-German PM Formation)
• Experimentelle Untersuchung der Pyrolyse- und Kokskinetik in einem Wirbelschichtreaktor unter atmosphärischen und druck-beaufschlagten Bedingungen in Luft- und Oxyfuel-Atmosphäre (Oxyflame A1, Oxyflame T1)
• Modellierung der Strahlungseigenschaften von pulverisierten Biomassepartikeln während der Oxyfuel-Verbrennung (Oxyflame C4, Oxyflame T1)

Neben der Untersuchung von Festbrennstoffen hat sich eine Kooperation zur Untersuchung unterschiedlicher Plastikfraktionen für deren gezielte Weiternutzung in einem nachhaltigeren Wirtschaftskreislauf entwickelt.

• Experimentelle Untersuchung des Pyrolyse- und Reaktionsverhaltens verschiedener Plastikfraktionen zur stofflichen Verwertung höherwertiger Polymere (Cluster 4 Plastics Recycling)

Methoden und Equipment

Für die experimentelle Bestimmung von Produkten und kinetischen Parametern des Pyrolyse- bzw. Koksumsatzprozesses wird am WSA ein Wirbelschichtreaktor im Labormaßstab genutzt. Hierzu werden kleine Brennstoffproben (1–50 mg) einzeln dem Reaktor zugeführt und anschließend die Reaktionsprodukte mittels Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie bestimmt. Konzept und optimiertes Design ermöglichen die Untersuchung unterschiedlicher Randbedingungen: Temperatur (300–1200 °C), Druck (1–20 bar) sowie die atmosphärische Zusammensetzung (N₂, O₂, CO₂, H₂O). Die gewonnen experimentellen Daten bilden die Basis für die Entwicklung von Pyrolyse- und Koksumsatzmodellen variabler Komplexität.

Zur effizienten Berechnung der Interaktion zwischen thermischer Strahlung und Festbrennstoffpartikeln werden numerisch effiziente Modelle für die gekoppelte Strahlungs- und Strömungsdynamische Simulation entwickelt. Weiterhin werden mithilfe eines akustischen Levitators Streuexperimente an levitierten Einzelpartikeln durchgeführt.

Das Spektrum der untersuchten Flammen umfasst unterschiedliche staubförmige Brennstoffe ((torrefizierte) Biomasse, Braunkohle, Steinkohle) im Bereich 10 – 180 kW_th. Für die Untersuchung stehen sowohl eine optisch voll zugängliche Brennkammer zur Untersuchung methangestützter Festbrennstoffflammen, wie auch eine beheizte ausgemauerte Brennkammer vorrangig zur Untersuchung sich selbsterhaltender Festbrennstoffflammen, zur Verfügung.

Als Untersuchungswerkzeuge kommen dabei verschiedene nicht-invasive Messverfahren zur Flammenuntersuchung wie beispielsweise Laser-Doppler-Anemometrie zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten, ein Chemilumineszenz-Kamera-System zur Identifikation der Reaktionszonen in der Flamme, oder Spektrographie und 2-Farben-Pyrometrie zur Bestimmung von Partikel- und Wandtemperaturen in der Brennkammer zum Einsatz; daneben werden aber auch Flammenuntersuchungen mittels Sonden durchgeführt. Zur Analyse von Verbrennungsabgasen stehen verschiedene Analysatoren – unter anderem auch FTIR-Spektrometer – zur Verfügung.

Für die numerische CFD-Untersuchung von Verbrennungsvorgängen wurden verschiedene Teilmodelle entwickelt und implementiert, um so eine detaillierte, wissenschaftlich-fundierte Simulation der Feststoffverbrennung durchführen zu können.