Minderung der NOx-Emissionen bei pulsierender Detonationsverbrennung

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Neda Djordjevic
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317741329

Mit dem Ziel der Entwicklung hocheffizienter, lastflexibler und schadstoffarmer Gasturbinen zur Nutzung nachhaltiger, durch Power-to-Gas (PtG)- bzw. Power-to-Liquid (PtL)-Verfahren erzeugter Energieträger wird an einem Übergang zu druckerhöhender Verbrennung geforscht. Dabei stellt die pulsierende Detonationsverbrennung (pulse detonation combustion, PDC) ein Konzept zur praktischen Umsetzung dar. Hierbei spielen auch Untersuchungen zum Emissionsverhalten eine entscheidende Rolle. Insbesondere die Betrachtung von NOx-Emissionen ist aufgrund der sehr hohen Temperaturen und Drücke innerhalb einer Detonationswelle von großer Wichtigkeit. Das vorliegende Forschungsvorhaben baut als Fortsetzungsvorhaben auf den Erkenntnissen des Vorgängerprojekts zur Quantifizierung der NOx-Emissionen einer mit Wasserstoff betriebenen PDC und der Anwendung von primären NOx-Minderungsmaßnahmen auf. Dabei konnten im Abgas gemessene NOx-Konzentrationen durch die klassischen Minderungsmaßnahmen der mageren Verbrennung und der Abgasrezirkulation (emuliert durch Stickstoffverdünnung) bereits um mindestens eine Größenordnung reduziert werden. Eine Berücksichtigung des Einflusses dieser Minderungsmaßnahmen auf die Detonationsfähigkeit brennbarer Gemische anhand der charakteristischen Detonationszellengröße zeigt, dass eine Verbesserung der anlagenspezifischen Fähigkeit zur Detonationsinitiierung (d.h. die Limits einer erfolgreichen deflagration-to-detonation-transition, DDT) weiteres Potential zur NOx-Minderung bereithält. Das erste Ziel dieses Vorhabens ist daher, durch geeignete experimentelle Anpassungen wie den Ausbau der DDT-Strecke und/oder eine Schichtung der Brennstoffverteilung innerhalb der Brennkammer eine weitere Minderung der NOx-Emissionen zu ermöglichen, die das Einhalten der gesetzlichen Grenzwerte beim Betrieb mit Wasserstoff zum Ziel haben. Der zweite Teilaspekt des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Erweiterung der Untersuchungen auf den Betrieb mit Kohlenwasserstoffen, wobei Ethen als Surrogat für höhere Kohlenwasserstoffe dient. Deren Verwendung bedeutet dabei eine gänzlich veränderte Ausgangslage für die reaktionskinetischen Vorgänge und hat so einen signifikanten Einfluss auf die Emissionen von sowohl Stickoxiden als auch Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (unburnt hydrocarbons, UHC). Das Zusammenspiel mit den zusätzlich auftretenden Schadstoffen ist dabei für Detonationsverbrennung bisher noch weitgehend unerforscht. Dies beinhaltet sowohl die Abhängigkeit von Betriebsbedingungen, als auch die Minderung der Schadstoffemissionen durch entsprechende Primärmaßnahmen. Neben den experimentellen Untersuchungen liefern numerische und reaktionskinetische Analysen dabei ein tiefgehendes Verständnis der zugrundeliegenden physikalisch-chemischen Vorgänge der Schadstoffentstehung in PDC und legen so die Grundlage zur Entwicklung von emissionsoptimierten detonationsbasierten Verbrennungssystemen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen