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Untersuchung von gasassistierten Staubflammen mittels Lasermesstechnik

Becker, Lukas Georg :
Untersuchung von gasassistierten Staubflammen mittels Lasermesstechnik.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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20190522 Dissertation Lukas Becker.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung von gasassistierten Staubflammen mittels Lasermesstechnik
Language: German
Abstract:

Mittelfristig wird Kohle ein wichtiger Energieträger für die Stromerzeugung bleiben. Kohlendioxid-Abscheidung und –Speicherung (CCS) bietet eine Möglichkeit die Emission von Kohlendioxid bei der Kohleverstromung drastisch zu reduzieren. Um CCS bei der Kohleverstromung zu nutzen, muss das Kohlendioxid vom restlichen Abgas abgeschieden werden. Eine Möglichkeit zur effizienten Abscheidung bietet das Oxyfuel-Verfahren. Dabei wird Luft als Verbrennungsatmosphäre durch eine Mischung aus Kohlendioxid und Sauerstoff ersetzt, wodurch die abschließende Abscheidung stark vereinfacht wird. Für die Auslegung von zukünftigen Anlagen zur Kohleverstromung im Oxyfuel-Verfahren wird ein verbessertes Verständnis der zugrundeliegenden Phänomene benötigt. Um die wechselseitige Interaktion von chemischen Reaktionen, Partikeldynamik und Strömungsmechanik zu untersuchen, müssen verschiedene Parameter simultan bestimmt werden. Lasermesstechnik bietet dabei den Vorteil der geringen Invasivität und der hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung. Lasermesstechnik wurde in der Kohleverbrennung hauptsächlich an offenen Laborflammen eingesetzt, da diese die benötigte gute optische Zugänglichkeit bieten. Für die Untersuchungen dieser Arbeit wurde eine geschlossene Brennkammer mit hervorragender optischer Zugänglichkeit konstruiert. Auch der Diffusor, der sich bei vielen Kohlebrennern an die Brennerdüse anschließt, ist für optische Messungen zugänglich. So konnten erstmals Messungen in diesem für die Flammenstabilisierung wichtigen Gebiet durchgeführt werden. Die Komplexität der Messungen wurde nach dem Vorbild des TNF-Workshops schrittweise von der nicht reagierenden Einphasenströmung zur reagierenden Zweiphasenströmung erhöht. Zur simultanen Messung von Partikel- und Gasphasengeschwindigkeiten wurde ein Zweiphasen PIV/PTV System an die Kohlestaubverbrennung adaptiert und erstmals dort erfolgreich eingesetzt. Durch die simultane Messung konnten die für die Partikelverbrennung wichtigen Schlupfgeschwindigkeiten berechnet werden. Laserinduzierte Fluoreszenz von aromatischen Kohlenwasserstoffen wurde verwendet, um in einer geschlossenen Brennkammer Regionen mit starker Pyrolyseaktivität zu lokalisieren. Anhand der nicht-reagierenden Einphasenströmung wurde die für den Brenner charakteristische Strömung ermittelt. Sie zeigt einen für Drallbrenner typischen Wirbelzusammenbruch und eine schnelle Hauptströmung entlang der Diffusorwand. Anhand der reagierenden Einphasenströmung konnte mittels OH-LIF die charakteristische Form der Gasflamme bestimmt werden. Die Eintrittsbedingungen mit partiell vorgemischtem Primärstrom bedingen eine Diffusionsflamme an der Brennerdüse, die weiter stromab durch Wärmeeintrag aus der Rezirkulationszone und Mischungsvorgänge der beiden Eintrittsströme vermutlich zu einer partiell vorgemischten Flammencharakteristik übergeht. Anhand der nicht-reagierenden Zweiphasenströmung wurden simultan Gas-, Partikel- und Schlupfgeschwindigkeiten bestimmt. Dadurch konnte die unterschiedliche Bewegung von Gas und großen Partikeln ermittelt werden. Durch die Geometrie von Brenner und Diffusor verweilen die großen Brennstoffpartikel lange in der Rezirkulationszone, was ihren schnellen Umsatz fördert. Anhand der reagierenden Zweiphasenströmung wurde die Interaktion der Zweiphasenströmung mit den Ausgasungsprozessen untersucht. Die Partikelbewegung führt nicht nur zu einer langen Verweilzeit der großen Partikel, sondern auch zu einer starken Entgasungsreaktion bei ihrem Eintritt in die Rezirkulationszone. Anhand von Parameterstudien in der reagierenden Zweiphasenströmung wurden Unterschiede in der Strömung bei verschiedenen Kohlebeladungen und Kohlesorten untersucht. Eine erhöhte Kohlebeladung führt dazu, dass die thermische Expansion verzögert wird, da die Partikel zunächst als Wärmesenke fungieren, bevor ihr Brennstoff durch Reaktion zu einer Expansion des Gases führt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Coal will stay an important energy source for electricity generation in the mid-term. Carbon capture and storage (CCS) offers a possibility to drastically reduce the emission of carbon dioxide. To use CCS, carbon dioxide needs to be isolated from the rest of the exhaust gas. One option for an efficient isolation is Oxyfuel technology. Here air as a combustion environment is replaced by a mixture of carbon dioxide and oxygen leading to a simplified isolation of carbon dioxide. To design future plants using Oxyfuel technology for electricity production from coal, a better understanding of the underlying phenomena is required. To investigate the mutual interactions of chemical reactions, particle dynamics and fluid mechanics, different parameters need to be measured simultaneously. Laser diagnostics have the advantage of low invasiveness and high spatial and temporal resolution. Laser diagnostics were used in coal combustion mainly in open lab flames, as they offer good optical accessibility. A closed combustion chamber with excellent optical accessibility was designed for the research in this work. In addition the quarl, which follows the nozzle in a lot of coal burners, features optical accessibility. In this way in this important area for flame stabilization the first measurements could be performed. Following the approach of the TNF-workshop the complexity of the measurements was increased stepwise from the non-reactive single phase flow to the reacting two phase flow. For simultaneous measurement of particle and gas phase velocities a two phase PIV/PTV System was adapted to coal combustion a used there successfully for the first time. Due to the simultaneous measurements, the slip velocities, which are important to particle combustion, could be calculated. In a closed combustion chamber laser induced fluorescence of aromatic hydrocarbons was used to locate areas with strong pyrolysis. The characteristic flow of the burner was determined in the non-reactive single phase flow. It shows the typical vortex breakdown of a swirl burner and a fast main flow along the wall of the quarl. Using OH-LIF the characteristic geometry of the gas flame in the reactive single phase flow was determined. The inflow conditions produce a diffusion flame at the nozzle of the burner. Due to heat transfer from the recirculation zone and mixing of the two inflow streams, further downstream a transfer to a partially premixed flame characteristic is probable. At the non-reactive two phase flow gas, particle and slip velocities were determined simultaneously. Thus the different movement of gas and big particles could be determined. Due to the geometry of burner and quarl the big particles stay in the recirculation zone relatively long, which supports their fast conversion. The interaction of the two phase flow with devolatilization processes was investigated in the reactive two phase flow. The particle movement not only leads to a long residence time of the big particles inside the recirculation zone, but also to their fast devolatilization when accessing the recirculation zone. Differences of various flow, particle loadings and fuel types were investigated. A higher coal loading leads to a delayed thermal expansion, as the particles act as a heat sink before their fuel expands the gas.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 11 Jun 2019 14:50
Last Modified: 11 Jun 2019 14:50
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-87271
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Kneer, Prof. Dr. Reinhold
Refereed: 23 April 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8727
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