Untersuchungen zur Schadstoffbildung bei der FLOX-Verbrennung von Kohlenstaub
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des beantragten Projektes war es, die Wirkmechanismen zu klären, die bei der Flammenlosen Oxidation von Kohle zu einer möglichen Reduktion der NOx-Bildung (thermisches- und Brennstoff NO) führen. Charakteristisch für die FLOX® Verbrennung ist eine intensive Rauchgasrezirkulation, die zu hohen, aber räumlich konstanten Temperaturen, niedrigen Sauerstoffanfangskonzentrationen und einem geringen Sauerstoffangebot führt. Es stellen sich verschiedene Reaktionszonen ein, in denen Flüchtigenfreisetzung, Flüchtigenzündung und Flüchtigenabbrand sowie Koksabbrand stattfindet. Chemische Prozesse und aerodynamische Prozesse beeinflussen sich in einem technischen FLOX-Brenner gegenseitig. Um die Effekte von Chemie- und Fluiddynamik zu separieren, wurden die einzelnen „typischen“ Zonen der FLOX- Verbrennung experimentell mit Hilfe von quasi-1-dimsionalen Kolbenströmungsreaktoren abgebildet. In einem Ablaufschema ist die Grundmethodik des vorliegenden Forschungsprojekts nochmals verdeutlicht. Die grundlegenden Reaktionsschritte Pyrolyse, Kokszündung und Koksausbrand werden getrennt betrachtet und mit geeigneten Versuchreaktoren untersucht. Die wesentliche Zielsetzung jedes Untersuchungsschrittes ist in dem Diagramm formuliert. Die experimentellen Daten dienen dazu, zu überprüfen, inwiefern bestehende Reaktionsmechanismen in der Lage sind, die unter FLOX-Bedingungen auftretenden NOx- Bildungsmechanismen wiederzugeben. Für technische FLOX-Brenner / FLOX-Brennkammersysteme sollte die durch hohe Rezirkulationsraten erzeugte Reaktionsatmosphäre einen möglichst geringen Sauerstoffpartialdruck aufweisen. Kleine Sauerstoffpartialdrücke führen zu geringen NO- Bildungsraten. Hohe Partikelaufheizraten (hohe Rezirkulationsraten) sind günstig. Sie führen zu hohen Freisetzungsraten stickstoffhaltiger Spezies in der Pyrolysephase. Bei geringem Sauerstoffpartialdruck führt dies zu einer hohen Umwandlungsrate der stickstoffhaltigen Spezies zu N2 und damit geringen NO-Emissionen. Bei technischen FLOX-Brennern ist der Koksabbrandphase ausreichend Aufmerksamkeit zu widmen, da niedrige Sauerstoffpartialdrücke zu mangelndem Ausbrand führen können. Die weiterentwickelten Untersuchungsmethoden sowie die gewonnenen experimentellen und reaktionskinetischen Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Abschätzung der NOx- Emissionen eines FLOX-Feuerungssystems. Sie stellen durch Anwendung auf konkrete Kohlen kohlespezifische Daten bereit, die für eine fundierte numerische Simulation der Stickstoffoxidbildung in Brennern und Feuerungen benötigt werden. Die Erweiterung der Datenbasis sowohl in Richtung Brennstoff, als auch in Richtung Prozessparameter ist notwendig. Eine Verbesserung der verfügbaren Reaktionsmechanismen in Bezug auf FLOX- Bedingungen ist erforderlich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „NOx-Reduction for Pulverized Coal Combustion by Flameless Oxidation”, HiTACG-Konferenz, Essen, 17.- 19. Oktober 2005
Löhr, S.; Kretschmann, M.; Wirtz, S.; Scherer, V.
- “Pyrolysis and Volatile Combustion of Pulverized Coal at Low Oxygen Concentrations”, 9th Conference on Energy for a Clean Environment, Póvoa de Varzim, Portugal, 02.-04. Juli 2007, 2007
Löhr, S.; Kretschmann, M.; Wirtz, S.; Scherer, V.
- „Pyrolyse und Flüchtigenabbrand von Kraftwerkskohlen bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen“, 23. Deutscher Flammentag, 12.-13. September 2007, Berlin, 2007
Löhr, S.; Kretschmann, M.; Wirtz, S.; Scherer, V.
- „Experimentelle und reaktionskinetische Untersuchungen zu Pyrolyseverhalten, Flüchtigenverbrennung und Koksabbrand von Kraftwerkskohlen bei niedrigen Sauerstoffgehalten“, Dissertation, Bochum 2008
Löhr, S.
- „Pyrolysis and Volatile Combustion of Pulverized Coal at low Oxygen Concentrations”, 33rd Int. Technical Conference on Coal Utilization and Fuel Systems, Clearwater, USA, 01.-05. Juni 2008
Löhr, S.; Scherer, V.; Wirtz, S.; Twiehaus, V.
