Untersuchung der frühen Abbrandphase von Feststoffpartikeln mit optischer Diagnostik

Trotz des geplanten Kohleausstiegs in Deutschland, werden Kohle und Biomasse weltweit in den nächsten Jahrzehnten zu den wichtigsten Primärenergieträgern zählen. Um den weltweiten CO2-Ausstoß durch Kohleverbrennung zu reduzieren, ist es wichtig, neue Feststoffverbrennungstechnologien zu entwickeln, zu erforschen und zu verbessern. Eine vielversprechende Technologie ist das Oxyfuelverfahren in Verbindung mit Carbon Capture and Storage Technologien (CCS). Bei diesem Verbrennungsverfahren wird Kohle in einer Atmosphäre aus CO2 und O2 verbrannt, anstatt in Umgebungsluft. Dadurch entstehen als Verbrennungsprodukte hauptsächlich CO2 und Wasserdampf, wodurch eine Separation der einzelnen Produkte erleichtert wird und das CO2 anschließend gespeichert werden kann (CCS). Findet die Verbrennung in einer Oxyfuelatmosphäre (CO2/O2) anstatt in N2/O2 statt, ändern sich viele Parameter wie zum Beispiel die Wärmekapazität und Diffusivität, welche die Verbrennung wiederum beeinflussen. Deshalb ist es notwendig, den Verbrennungsprozess auf allen Skalen zu verstehen. Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss der Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsatmosphäre auf den Volatilenabbrand mehrerer Kohlen zu untersuchen. Für den Einsatz optischer Messtechnik wurde eigens ein vollvorgemischter Flugstromreaktor entwickelt und die Randbedingungen durch eine Kombination von Simulationen und Experimenten bestimmt. Der Vorteil optischer Messtechniken besteht darin, dass der Verbrennungsprozess nicht beeinflusst wird. Werden diese simultan eingesetzt, können mehrere Parameter für einen Partikel gleichzeitig bestimmt werden. Zur Bestimmung der Partikelgröße und –form wurden zwei hochauflösende Schattenwurfverfahren aufgebaut. Die Partikelbewegung und damit die Verweilzeit der Partikel, wurden mit einem Hochgeschwindigkeitsschattenwurfverfahren aufgenommen. Die Zündverzugszeiten und Volatilenabbrandzeiten wurden durch laserinduzierte Fluoreszenz des OH-Radikals und Lumineszenzvisualisierung gemessen. Beide Systeme wurden mit einer Repetitionsrate von 10 kHz betrieben, wodurch Prozesse während des Volatilenabbrands zeitlich aufgelöst werden konnten. Es wurden Partikel unterschiedlicher Kohlen und von unterschiedlicher Größe untersucht. Die Verbrennung fand in Atmosphären mit verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen mit Stickstoff sowie Kohlenstoffdioxid als Inertgas statt. Die Ergebnisse zeigten Partikelschwellungen in Abhängigkeit von der Kohleart und der Verbrennungsatmosphäre. Während des Volatilenabbrands behielten die Partikel ihre exzentrische Form bei. Auch die Zündverzugszeiten und Volatilenabbrandzeiten zeigten eine Abhängigkeit von der Kohleart, der Partikelgröße sowie der Verbrennungsatmosphäre. Je höher der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre ist und je kleiner die Partikel, desto früher findet die Zündung statt und desto kürzer ist die Volatilenabbrandzeit. Des Weiteren wurden die Messtechniken ausführlich miteinander verglichen, wodurch die Teer- und Rußbildung mit bildgebenden Verfahren untersucht werden konnte und die Limitierungen der einzelnen Messtechniken erörtert werden konnten. Letztendlich verdeutlichen die Ergebnisse die Notwendigkeit von optischen Multiparametermessungen in der Kohleverbrennung. Die gesammelten Erkenntnisse und Messdaten können somit zur Weiterentwicklung von numerischen Modellen der Kohleverbrennung genutzt werden und auch in der Biomasseverbrennung eingesetzt werden, um die Feststoffverbrennung zukunftsweisend für die Energiewende zu gestalten