Char combustion kinetics using a micro fluidized bed reactor

• Koksabbrandkinetik mittels eines kompakten Wirbelschichtreaktors

Gövert, Benjamin Maximilian; Kneer, Reinhold (Thesis advisor); Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

Die Verbrennung von Koks aus natriumarmer rheinischer Braunkohle in synthetischer Luft (N2/O2) und Oxyfuel-Atmosphäre (CO2/O2) wird experimentell und mittels eines 1D-Modells untersucht. Verbrennungsexperimente werden in einem extern beheizten, kompakten Wirbelschichtreaktor (mFBR) im Temperaturbereich von 773 - 1123K mit 25 vol.−% Sauerstoff durchgeführt. Bei 873K wird der Sauerstoffanteil zwischen 15 - 30 vol.−% variiert. Abhängig von der Streuung der Ergebnisse werden 5 - 50 Wiederholungen durchgeführt, in Summe erfolgen 556 Experimente. Die Konzentrationen der Reaktionsprodukte CO2 und CO werden ex situ mittels Fourier-Transform Infrarot (FTIR) Spektrometrie zeitaufgelöst mit bis zu 10 Hz erfasst. Mit diesen Konzentrationen, ergänzt um Daten zu Gasmassenströmen und Probenmassen, wird eine Kohlenstoffbilanz um den Reaktor aufgestellt. Daraus werden für jedes Experiment Kohlenstoffumsatzrate dX/dt(t) und dimensionsloser Umsatz X(t) berechnet. Die Modellierung der Koksverbrennung erfolgt auf Basis des Carbon Burnout Kinetic Modells Version 8 (CBK8) von Hurt et al. [1998], welches für die Randbedingungen in der Wirbelschicht angepasst wird. Mittels des neuen Modells, genannt CBK/FB, werden verschiedene Korrelationen für den Wärme- und Stoffübergang, sowie für die Wärmekapazität des Brennstoffs und das CO/CO2-Verhältnis bei der Verbrennung verglichen. Für die best-fit Kombination aus Wärme- und Stoffübergangskorrelation wird die Kinetik des CBK/FB-Modells für Experimente in Luft bestimmt. Die resultierenden Kinetikparameter sind plausibel und gut vergleichbar zu Werten aus der Literatur. Insgesamt sagt das CBK/FB-Modell den Kohlenstoffumsatz in Luft mit guter Genauigkeit vorher. Ein Test des Modells an den experimentellen Ergebnissen in Oxyfuel-Atmosphäre zeigt keine systematischen Abweichungen auf.