Charakterisierung von vorgemischten Methan/Sauerstoff-Flammen im POX (partielle Oxidation) Bereich unter erhöhten Drücken

Industrielle Hochtemperatursynthesen, die mit reinem Sauerstoff als Oxidator, betrieben werden unterscheiden sich signifikant von konventioneller Verbrennung (Luft als Oxidator). In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer modularen Versuchsanlage im Labormaßstab vorgestellt, die die Untersuchungen des Einflusses einzelner Parameter (Äquivalenzverhältnis, Vorwärmtemperatur und Druck) auf die Flammenstruktur von brennstoffreichen CH4/O2-Flammen ermöglicht. Die gewählten Randbedingungen sind an industrielle Prozesse angelehnt. Zur experimentellen Untersuchung der laminar vorgemischten flachen Flammen wurden sowohl optische als auch invasive Messtechniken eingesetzt. Mittels Laser-basierter absorptionsspektroskopischer Untersuchungen (TDLAS) des H2O-Moleküls konnten sowohl Temperatur- als auch Konzentrationsprofile direkt ermittelt werden. Mittels invasiver Probenentnahme in Kombination mit einem Gaschromatographen und Massenspektrometer (GC/MS) konnten die Edukte und weitere Hauptprodukte der Verbrennung experimentell gemessen werden. In umfangreichen Voruntersuchungen wurden neben der Identifikation geeigneter Absorptionslinien auch eine Software zur Steuerung und Auswertung der TDLAS-Messungen entwickelt und eine geeignete Sondengeometrie zur invasiven Probenentnahme bestimmt. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den Ergebnissen detaillier-ter Reaktionsmechanismen zeigte, dass selbst bei den Hauptprodukten der Verbrennung große Unterschiede zwischen den Messergebnissen und einzelnen Mechanismen liegen. Es zeigte sich, dass je nach betrachteter Spezies unterschiedliche Reaktionsmechanismen mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Dies hebt die Bedeutung der Erfassung experimenteller Daten für die Entwicklung oder Erweiterung detaillierter Reakti-onsmechanismen für die Anwendung in brennstoffreichen Oxy-Fuel Flammen hervor. Des Weiteren wurden bei der Ermittlung von Temperaturen und H2O-Konzentrationen jeweils Maximalwerte gemessen, die deutlich über den Gleichgewichtsbedingungen liegen. Dies ist auf das Phänomen der super-adiabaten Flammentemperaturen (SAFT) zurückzuführen, das für brennstoff-reiche Kohlenwasserstoff/Oxidator-Flammen charakteristisch ist und durch die unterschiedlichen chemischen Zeitmaße der schnellen exothermen Oxidationsreaktionen und endothermen Synthesegasproduktion erklärt werden kann. Erstmals konnte der Einfluss der Parameter Äquivalenzverhältnis, Vorwärmtemperatur und Druck auf SAFT in brennstoffreichen CH4/O2-Flammen experimentell ermittelt werden