Stereoskopisches Thermo-ICCD-Kamerasystem
Final Report Abstract
Das stereoskopische Kamerasystem (Pyrometers) wurde für die Bestimmung von Temperatur, Durchmesser, Form und Geschwindigkeit brennender Kokspartikel sowohl in luftgefeuerter als auch Oxyfuel-Umgebung genutzt. Die Arbeiten wurden bislang an einem Flachflammenbrenner, einer typischen Standardflamme für Laboruntersuchungen fester Brennstoffe durchgeführt. Die Messung der Kokstemperatur in Kombination mit Größen- bzw. Forminformation (letztere wichtig für Biomassepartikel) ermöglicht die Schließung der Energiebilanz um brennende Partikel. Daraus lässt sich die Umsatzrate des festen Kohlenstoffs ableiten, die wichtig ist für die Voraussage des zeitlichen Verlaufs und somit der Wärmefreisetzung aus dem Festbrennstoff. Arbeiten dazu wurden unter verschiedenen Aspekten durchgeführt. Eine Kohleprobe bekannter Provenienz wurde unter verschiedenen Bedingungen in separaten Versuchen pyrolysiert, bevor die Koksverbrennung untersucht wurde. Dabei wurde sowohl der Einfluss der Reaktionsatmosphäre (Luft/Oxyfuel) als auch der Pyrolysebedingungen auf den nachgelagerten Koksabbrand untersucht. Anhand der Temperaturverläufe der Kokspartikel konnte nachgewiesen werden, dass Kokse dann miteinander vergleichbar bezüglich ihrer Reaktivität sind, wenn die Pyrolyse in einer Umgebung mit hinreichend großer Aufheizrate stattgefunden hat. Um den Einfluss mineralischer Bestandteile auf den Koksabbrand zu untersuchen, wurden eine Braunkohle und ein synthetisierter Festbrennstoff untersucht. Anhand der gemessenen Verbrennungstemperaturen einzelner Partikel konnte bewiesen werden, dass der synthetisch hergestellte Brennstoff als mögliches, kontrolliert herzustellendes Braunkohlesurrogat für Laborversuche zu verwenden ist. Die Verbrennungstemperatur einzelner Brennstoffpartikel bei ansonsten gleichen Randbedingungen konnte auf Basis der Ergebnisse des Pyrometers als vergleichbar eingestuft werden. Um den Einfluss mineralischer Bestandteile nachzuweisen, wurde die Braunkohle nasschemisch entmineralisiert, der synthetische Brennstoff (bei Herstellung mineralfrei) wurde hingegen mit potentiell katalytisch wirksamen Mineralien angereichert. Als Effekt wurde eine Zunahme der Partikeltemperatur mit steigendem Mineraliengehalt nachgewiesen. Durch die simultane Partikelgrößenmessung konnte eine hohe Genauigkeit in den getroffenen Aussagen erzielt werden. Messwerte aus den Versuchen mit verschiedenen Koksen wurden als Grundlage zum Vergleich von räumlich aufgelösten Simulationen des Koksabbrandes einzelner Partikel herangezogen. In den Simulationen erzielte Temperaturen einzelner brennender Kokspartikel wurden mit Werten verglichen, die zuvor mit dem Kamerasystem experimentell ermittelt wurden. Diese Arbeiten werden fortgeführt, um anhand umfangreicher Messdaten Simulation stützen und durch eine Kombination hochaufgelöster Temperatur- und Größenmessungen verinfachte, aber hochakkurate Modelle für Koksabbrandberechnungen erstellen zu können. Teilreagierte Kokse aus CO2-haltigen Atmosphären wurden gegen solche aus N2-dominerter Pyrolyseumgebung verglichen. Temperaturmessungen wurden genutzt, um sowohl den Einfluss der Pyrolyseatmosphäre als auch der Verbrennungsumgebung auf den Koksabbrand darzustellen. Neben der hochauflösenden Gößenmessung brennender Kokspartikel im Flug ist die Formerkennung unter solchen Bedingungen einer der großen Vorteile des stereoskopischen Kamerasystems. Partikelform ist vor allem für Biomasseverbrennung ein wichtiger Parameter, der mit dem aktuellen System erstmalig simultan mit der Temperature des Kokspartikels erfasst werden kann. Als Ergebnis dieser Arbeiten konnte der Koksabbrand unter Berücksichtigung der Partikelform staubförmiger Partikel beschrieben werden. Der Einfluss wurde quantifiziert und Empfehlungen für weitere Behandlungen des Themas werden publiziert.
Publications
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Stereoscopic pyrometer for char combustion characterization, Appl. Opt. 54 2015, 1097–1108
M. Schiemann, N. Vorobiev, V. Scherer
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Experimentation for char combustion kinetics measurements: Bias from char preparation, Fuel Process. Technol. 151 2016, 155–165
N. Vorobiev, M. Geier, M. Schiemann, V. Scherer
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Oxidation characteristics of a cellulose-derived hydrochar in thermogravimetric and laminar flow burner experiments, Fuel Process. Technol. 148 2016, 85–90
H. Düdder, A. Wütscher, N. Vorobiev, M. Schiemann, V. Scherer, M. Muhler
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Resolved simulations of single char particle combustion in a laminar flow field, Fuel 2016, 1–10
S. Farazi, M. Sadr, S. Kang, M. Schiemann, N. Vorobiev, V. Scherer, H. Pitsch
