Influence of the release and combustion of volatiles on char reactivity of solid fuels
Final Report Abstract
Das vorliegende Projekt liefert Beiträge zur Charakterisierung des Zündverhaltens fester Brennstoffe und zum Einfluss der Pyrolysebedingungen auf die Reaktivität des entstandenen Kokses. Das primäre Projektziel – eine Aussage über den Einfluss oxidierender Atmosphären auf die Reaktivität des gebildeten Kokses – wurde erreicht. Abweichend vom ursprünglichen Versuchsplan wurde die Anzahl der untersuchten Partikelgrößenfraktionen reduziert. Wie vorab beschrieben wurde durch den nachträglich beschlossenen Einsatz von Laser-induzierter Inkandeszenz (LII) eine wesentliche Verbesserung der Datenqualität erzielt, um diesen Mehraufwand auszugleichen wurde das Messprogramm reduziert, wodurch die Kernfrage des Projekts aber nicht angetastet sondern unterstützt wurde. Das Brennstoffspektrum wurde durch typische fossile (Gasflammkohle und Rheinische Braunkohle) und biogene Brennstoffe (Walnussschalen) exemplarisch abgedeckt. Im ersten Teil des Messprogramms – den Pyrolyseexperimenten – wurde die O2-Konzentration der Reaktionsatmosphäre zwischen 0% und 10%-Vol. variiert, um Randbedingungen im Brennernahbereich einer Staubfeuerung zu simulieren. Der Übergang von der Pyrolyse zum Koksabbrand in O2-haltiger Atmosphäre wurde mittels verschiedener optischen Messmethoden – bildgebende Pyrometrie, Chemilumineszenz (CL) und Laser-induzierte Inkandeszenz (LII) – untersucht. Mithilfe der CL-Messungen wurden für alle Brennstoffe Intensitätsprofile entlang der Partikelsträhne erzeugt. LII-Messungen boten für fossile Brennstoffe eine deutlich bessere Signalausbeute, sodass die Position für die Feststoffprobenahme damit präziser als mit CL bestimmt werden konnte. Die Partikel wurden mit einer Probenahmesonde gequencht und aus dem Reaktor extrahiert, dabei wurde die Position der Partikelentnahme für jede Brennstoff- Atmosphäre-Kombination individuell bestimmt. Im zweiten Teil des Messprogramms wurden die Koksproben auf ihre Feststoffeigenschaften (Elemen- 13 tar- und Immediatanalyse und Kalorimetrie, N2-BET, REM, C-NMR) untersucht. Spezifische Oberfläche und Molekularstruktur werden von der Atmosphäre während der Pyrolysephase beeinflusst. Aus Berechnungen der adiabaten Flammentemperature der Flüchtigen und mittels Pyrometrie der Hüllflamme konnten die Aufheizraten der Partikel genauer bestimmt werden. Danach wurden die Proben im laminaren Flugstromreaktor bezüglich ihrer Reaktivität charakterisiert. Die Steinkohle-Probe zeigte signifikante Unterscheide in der Reaktionsrate in Bezug auf die verwendete Pyrolyseatmosphäre. Dies wurde auf die starke Rußbeladung der Hüllflamme zurückgeführt. Braunkohle- und Walnussschalenkokse zeigten zwar Unterschiede zwischen der Produktion unter inerten und oxidierenden Bedingungen, der Einfluss der O2-Konzentration während der Pyrolysephase und somit der Änderung der Aufheizrate auf die Reaktivität des gebildeten Kokses wurde aber nicht festgestellt. Auf Basis der erzielten Ergebnisse wird empfohlen, dass Kokse aus reagierender Atmosphäre solchen aus inerter zur Charakterisierung des Koksabbrands vorgezogen werden. Da nachgewiesen ist, dass anwesendes CO2 und wahrscheinlich auch H2O Einfluss auf die Reaktivität entstehender Kokse besitzen, und diese Spezies auch in O2-freien Bereichen im Brennernahfeld vorkommen, wäre dieser Einfluss (nicht-inerte Bedingungen bei O2-Freiheit) als weiterer Punkt zu prüfen. Die LII-Messtechnik hat sich als sinnvolles Werkzeug bei der Charakterisierung der Einzelpartikelzündung erwiesen. Anwendung dieser Messtechnik und Nutzung der Daten zur weiteren Modellbildung ist ein zweiter Punkt, der in Folgeprojekten Aufmerksamkeit finden kann.
Publications
- (2018) On the particle sizing of torrefied biomass for co-firing with pulverized coal. Combustion and Flame 194 72–84
Nowińska, Edyta; Cohors-Fresenborg, Elmar; Praetorius, Anna-Katharina
(See online at https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.04.014) - Carbon, sulfur and nitrogen oxide emissions from combustion of pulverized raw and torrefied biomass, Fuel. 188 (2017)
X. Ren, R. Sun, X. Meng, N. Vorobiev, M. Schiemann, Y.A. Levendis
(See online at https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.10.017) - Influence of devolatilization conditions on char reactivity. 42nd Int. Tech. Conf. Clean Energy, Clearwater. Florida: 2017
Vorobiev N, Schiemann M
