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Untersuchung der frühen Abbrandphase von Feststoffpartikeln mit optischer Diagnostik

Köser, Jan Christoph (2020):
Untersuchung der frühen Abbrandphase von Feststoffpartikeln mit optischer Diagnostik.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00013410,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung der frühen Abbrandphase von Feststoffpartikeln mit optischer Diagnostik
Language: German
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Despite the planned phase-out of coal in Germany, coal and biomass will be among the most important primary energy sources worldwide in the coming decades. In order to reduce the global CO2 emissions from burning coal, it is important to develop, research and improve new solid fuel combustion technologies. A very promising technology is the oxyfuel process in connection with carbon capture and storage technologies (CCS). In this combustion process, coal is burned in an atmosphere of CO2 and O2 instead of ambient air. This creates mainly CO2 and water vapor as combustion products, which facilitates the separation of the individual products and the CO2 can then be stored (CCS). If the combustion takes place in an oxyfuel atmosphere (CO2 / O2) instead of N2 / O2, many parameters change, such as the heat capacity and diffusivity, which in turn influence the combustion. That is why it is necessary to understand the combustion process on all scales. The aim of this work is to investigate the influence of the oxygen concentration in the atmosphere on the volatile combustion of several coals. A fully premixed entrained flow reactor was specially developed for the use of optical measurement technology and the boundary conditions were determined through a combination of simulations and experiments. The advantage of optical measurement techniques is that the combustion process is not influenced. If these are used simultaneously, several parameters can be determined for a particle at the same time. To determine the particle size and shape, two high-resolution diffuse backlight illumination methods were set up. The particle movement and thus the residence time of the particles were recorded using a high-speed diffuse backlight illumination method. The ignition delay times and volatile combustion durations were measured by laser-induced fluorescence of the OH radical and luminescence visualization. Both systems were operated with a repetition rate of 10 kHz, which enabled processes during the volatile combustion to be resolved in time. Particles of different coals and of different sizes were examined. The combustion took place in atmospheres with different oxygen concentrations and nitrogen or carbon dioxide as inert gas. The results showed particle swellings depending on the type of coal and the combustion atmosphere. The particles retained their eccentric shape during the volatile combustion. The ignition delay times and the end of volatile combustion also showed a dependency on the type of coal, the particle size and the combustion atmosphere. The higher the oxygen content in the atmosphere and the smaller the particles, the earlier the ignition takes place and the shorter the volatile combustion time. Furthermore, the measurement techniques were compared in detail, whereby the tar and soot formation could be examined with imaging methods and the limitations of the individual measurement techniques could be discussed. Ultimately, the results make clear the need for optical multi-parameter measurements in coal combustion. The collected knowledge and measurement data can thus be used for the further development of numerical models of coal combustion and can also be used in biomass combustion to shape solid fuel combustion in a future-oriented way for the energy transition.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 08 Sep 2020 12:14
Last Modified: 08 Sep 2020 15:20
DOI: 10.25534/tuprints-00013410
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-134107
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Scherer, Prof. Dr. Viktor
Refereed: 19 August 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13410
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