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Experimental Investigations of Solid Fuel Combustion with Multi-dimensional and Multi-parameter Laser Diagnostics

Li, Tao (2021):
Experimental Investigations of Solid Fuel Combustion with Multi-dimensional and Multi-parameter Laser Diagnostics. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019412,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Experimental Investigations of Solid Fuel Combustion with Multi-dimensional and Multi-parameter Laser Diagnostics
Language: English
Abstract:

In the 21st century, climate change is one of the main challenges for the sustainable development of human society and global economics. With worldwide increasing primary energy consumption, reduction of greenhouse gas emissions is pursued by most countries to limit the global warming. Oxy-fuel combustion, among other carbon capture and storage technologies, is a promising technical solution for CO2 reduction with retrofitting of the existing fossil-fuel-fired power plants for future power supply. For industry-scale employment of oxy-fuel combustion technology, a thorough understanding of the flame characteristics of solid fuel particles is desired, requiring fundamental investigations in laboratory experiments.

In this work, solid fuel combustion in laminar flows is comprehensively investigated in generic experiments by using advanced non-intrusive measurement techniques. The investigations emphasize ignition and the early-stage volatile combustion of fuel particles, which play an essential role in flame stabilization and propagation for industrial boilers. Oxy-fuel combustion is a complex multi-phase phenomenon with numerous interactive sub-processes involved, demanding in-situ data acquisition of multiple essential scalars and vectors. Thus, this thesis presents the efforts that are made (1) to develop methodology aiming for performing multi-parameter volumetric optical measurements in combustion research, and (2) to study the ignition and flame behavior of high-volatile bituminous coal particles by applying the developed laser diagnostics and further to deepen the fundamental understanding of solid fuel combustion.

This thesis is structured in a cumulative dissertation framework, in which six peer-reviewed publications are accommodated in two major parts. Part one underlines the methodological development of high-speed volumetric laser measurements by introducing three major contributions. In a single-shot 3D measurement (paper I), the reaction zone of laminar and turbulent flames is visualized by using volumetric laser illumination. It extends to a quasi-4D flame laser-induced fluorescence (LIF) imaging measurement by combining a 100 kHz pulse-burst laser with a rapid acousto-optic deflector (paper II). By performing tomographic particle image velocimetry (Tomo-PIV) measurements, laser scanning and volumetric illumination methods are simultaneously utilized to analyze the flame-flow interactions of a turbulent flame (paper III). These experimental studies demonstrate the novelty and capability of multi-parameter, volumetric imaging techniques applicable to study solid fuel combustion.

In part two, the above-mentioned optical diagnostics are applied in laminar flow reactor experiments with emphasis on a fundamental understanding of ignition and volatile combustion of solid fuel in oxy-fuel conditions. Following a step-wise increase in complexity, single-particle ignition and flame evolution are comprehensively investigated using 2D, multi-parameter diagnostics (paper IV), which simultaneously address geometric properties, e.g., particle size and shape, and reaction relevant quantities, e.g., OH species and flame luminescence. Extending to 3D (paper V), the topology of single-particle volatile flame and its temporal and spatial revolution are explored by the laser scanning OH-LIF. A fundamental understanding of single-particle volatile flame is obtained by evaluating the spherical volatile flame's stand-off distance. Finally, ignition and stabilization of a volatile flame seeded with particle groups are investigated (paper VI). Multi-parameter and multi-dimensional measurements contribute to interpreting particle-particle and particle-flame interactions and their importance in solid fuel combustion.

Overall, significant progress is achieved in both methodology development and phenomena analysis. Acquired data provide a solid basement for validation of advanced numerical simulations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Im 21. Jahrhundert ist der Klimawandel eine der größten Herausforderungen für die nachhaltige Entwicklung der menschlichen Gesellschaft und der Weltwirtschaft. Mit dem weltweit steigenden Primärenergiekonsum wird die Reduzierung der Treibhausgasemissionen von den meisten Ländern angestrebt, um die globale Erwärmung zu begrenzen. Die Oxy-fuel-Verbrennung ist neben anderen Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung eine vielversprechende technische Lösung zur CO2-Reduzierung bei der Nachrüstung der bestehenden fossil befeuerten Kraftwerke für die zukünftige Energieversorgung. Für den industriemäßigen Einsatz der Technologie für die Oxy-fuel-Verbrennung ist ein grundlegendes Verständnis der Flammeneigenschaften von Festbrennstoffpartikeln erforderlich, was wiederum fundamentale Untersuchungen in Laborexperimenten erfordert. In dieser Arbeit wird die Verbrennung fester Brennstoffe in laminaren Strömungen in generischen Experimenten unter Anwendung fortschrittlicher nicht-intrusiver Messtechniken umfassend erforscht. Die Untersuchungen betonen die Zündung und die frühe flüchtige Verbrennung von Brennstoffpartikeln, die eine wesentliche Rolle bei der Flammenstabilisierung und -ausbreitung für großtechnischen Brennkammer spielen. Die Oxy-fuel-Verbrennung ist ein komplexes mehrphasiges Phänomen mit zahlreichen interaktiven Teilprozessen, die eine in-situ Datenerfassung mehrerer wichtiger Skalare und Vektoren erfordert. Daher werden in dieser Arbeit die Bemühungen vorgestellt, (1) die Methodologie zur Durchführung von volumetrischen optischen Multiparametermessungen in der Verbrennungsforschung zu entwickeln und (2) die Zündung und das Flammenverhalten von hochflüchtigen Steinkohlepartikeln durch Anwendung der entwickelten Laserdiagnostik zu untersuchen und das grundlegende Verständnis der Verbrennung fester Brennstoffe weiter zu vertiefen. Diese Arbeit ist in einem kumulativen Dissertationsrahmen aufgebaut, in dem sechs begutachtete Publikationen in zwei Hauptteilen untergebracht sind. Teil eins unterstreicht die methodische Entwicklung von volumetrischen Hochgeschwindigkeits-Lasermessungen durch die Vorstellung von drei Hauptbeiträgen btw. Publikationen. Mit einer Einzelschuss-Messung (Paper I) wird die Reaktionszone laminarer und turbulenter Flammen mit Hilfe volumetrischer Laserbeleuchtung visualisiert. Es wird zu einer Quasi-4D Messung mithilfe von Laser-induzierten Fluoreszenz (LIF) Imaging erweitert, indem ein 100 kHz Puls-Burst-Laser mit einem schnellen akusto-optischen Deflektor kombiniert wird (Paper II). Durch die Durchführung von tomographischen Particle Image Velocimetry (Tomo-PIV) (Paper III) werden Laserscanning- und volumetrische Beleuchtungsmethoden gleichzeitig genutzt, um die Flammen-Strömungs-Interaktionen einer turbulenten Flamme zu analysieren. Diese experimentellen Studien demonstrieren die Neuartigkeit und die Fähigkeit von multiparametrischer, volumetrischer Diagnostik, die zur Untersuchung der Verbrennung fester Brennstoffe eingesetzt werden können. Im zweiten Teil wird die oben erwähnte optische Diagnostik in laminare Flugstromreaktoren angewandt, wobei der Schwerpunkt auf einem grundlegenden Verständnis der Zündung und flüchtigen Verbrennung von Festbrennstoff unter Oxy-fuel-Bedingungen liegt. Nach einer schrittweisen Steigerung der Komplexität werden Einzelpartikelzündung und Flammenentwicklung umfassend mit 2D und multiparametrischer Diagnostik untersucht (Paper IV), die gleichzeitig geometrische Eigenschaften, z.B. Partikelgröße und -form, und reaktionsrelevante Parameter, z.B. OH-Spezies und Flammenlumineszenz, berücksichtigt. In der Erweiterung auf 3D (Paper V) wird die Topologie der flüchtigen Einzelpartikelflammen und deren zeitliche und räumliche Abwicklung mit dem Laser-Scanning OH-LIF untersucht. Ein grundlegendes Verständnis der einteiligen flüchtigen Flamme wird durch die Auswertung des Abstands der kugelförmigen flüchtigen Flamme gewonnen. Schließlich werden Zündung und Stabilisierung einer mit Partikelgruppen gestützten flüchtigen Flamme untersucht (Paper VI). Multiparameter- und mehrdimensionale Messungen tragen zur Interpretation von Partikel-Partikel- und Partikel-Flammen-Wechselwirkungen und deren Bedeutung bei der Verbrennung fester Brennstoffe bei. Insgesamt werden sowohl bei der Entwicklung der Methodik als auch bei der Analyse der Phänomene bedeutende Fortschritte erzielt. Die gewonnenen Daten bieten eine solide Grundlage für die Validierung fortgeschrittener numerischer Simulationen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 8, II, 205, 9 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
TU-Projects: DFG|TRR129|TP B07 Dr. Böhm TRR1
Date Deposited: 10 Sep 2021 12:19
Last Modified: 10 Sep 2021 12:19
DOI: 10.26083/tuprints-00019412
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-194126
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Li, Prof. Dr. Shuiqing
Refereed: 18 May 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19412
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