Experimentelle Untersuchung der Pyrolyse- und Koksreaktionskinetik in einem Wirbelschichtreaktor unter atmosphärischen und druckbeaufschlagten Bedingungen

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Das Oxyflame-Teilprojekt A1 untersucht den reaktiven Umsatz von Biomasse und dessen Strukturbestandteilen Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Ziel ist es, die Reaktionskinetik, d.h. die zeitabhängige Freisetzung der Reaktionsprodukte experimentell zu erfassen und geeignete Modellansätze abzuleiten. Der Fokus liegt dabei auf zwei Teilprozessen, der Pyrolyse und dem Koksumsatz. Pyrolyse bezeichnet den Prozess der Freisetzung von Flüchtigen (z.B. Kohlenwasserstoffe und Stickstoffverbindungen) unter inerten Bedingungen, während der Koksumsatz die Reaktion des verbleibenden, kohlenstoffhaltigen Restpartikels mit Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid oder Wasserdampf beschreibt.

Als Reaktionsbedingungen werden hohe Temperaturen und Partikelaufheizraten gewählt, die typische Randbedingungen von industriellen Feuerungen oder Reaktoren repräsentieren. Im labor werden diese Bedingungen durch einen Wirbelschichtreaktor (Fluidized Bed Reactor, FBR) angenähert, in dem hohe Aufheizraten und beliebig lange Verweilzeiten bis zum vollständigen Ausbrand realisiert werden können. Diese langen Verweilzeiten sind ein wesentlicher Vorteil des Systems, da der Prozess des Koksabbrands typischerweise wesentlich langsamer abläuft, als jener der Pyrolyse. In dem verwendeten Reaktor können Pyrolyse und Koksabbrand getrennt untersucht, und deren Kinetik im Bereich von 1 – 10 bar, sowie für variable Atmosphären (N2, O2, CO2, H2O), bestimmt werden. Die experimentell gewonnenen Daten werden dazu genutzt bestehenden Kinetikmodelle unterschiedlicher Komplexität zu kalibrieren bzw. zu validieren. Diese Modelle werden dann von anderen Teilprojekten des Forschungsverbundes in der Simulation des Gesamtprozesses genutzt.