Heterogene Reaktionskinetik alternativer Festbrennstoffe

  • Heterogeneous reaction kinetics of alternative solid fuels

Kreitzberg, Thobias; Kneer, Reinhold (Thesis advisor); Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Zur Erreichung des in dem Übereinkommen von Paris ausgerufenen 1,5 °C-Ziels sind einschneidende Maßnahmen zur drastischen Reduktion der weltweiten CO2-Emissionen unabdingbar. Einen Beitrag zur Realisierung dieser Ziele können Carbon Capture & Utilization sowie Carbon Capture & Storage Technologien liefern, bei denen das in Verbrennungsprozessen gebildete CO2 entweder stofflich weiterverarbeitet und genutzt (CCU) oder verpresst und gelagert (CCS) wird. Eine Voraussetzung zur erfolgreichen Anwendung dieser Verfahren ist das grundlegende Verständnis der thermochemischen Konversionsvorgänge der in diesem Zusammenhang eingesetzten Brennstoffe. Mit den experimentellen und theoretischen Untersuchungen zur heterogenen Umsetzung kohlenstoffhaltiger Festbrennstoffpartikel aus alternativen Rohstoffen liefert diese Arbeit einen Beitrag zur Verwirklichung dieser technischen Prozesse. Neben einem biogenen Brennstoff aus torrefiziertem Buchenholz wird zudem ein Ersatzbrennstoff bestehend aus Reststoffen analysiert. Als Vertreter der fossilen Brennstoffe wird als Referenz ebenso Rheinische Braunkohle in die Untersuchungen dieser Arbeit einbezogen. Die Konversion der Brennstoffe wird experimentell in einem dafür speziell konzipierten Wirbelschichtreaktor im Labormaßstab in einem Temperaturbereich von 450 °C bis 1200 °C und Gasatmosphären bestehend aus jeweils 20 Vol.-% Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf bei atmosphärischem Absolutdruck durchgeführt. Die Untersuchungen offenbaren deutliche Diskrepanzen der Umsatzgeschwindigkeit des Ersatzbrennstoffs und Buchenholzes bei der Konversion mit CO2 und H2O im Temperaturbereich 700 – 1000 °C, während für höhere Temperaturen eine Annäherung der Reaktionsraten beobachtet werden kann. Als maßgebliche Ursache für dieses Verhalten werden unterschiedliche Stofftransportwiderstände der beiden Brennstoffen identifiziert. Die Versuchsergebnisse werden zur Extraktion kinetischer Parameter für ein eindimensionales Partikelmodell genutzt, um so ein prädiktives Tool für die Vorhersage der thermochemischen Konversion in komplexen Gasgemischen zu erhalten.

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