Feststoffverbrennung

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Oliver Hatzfeld

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Die Verbrennung fester Brennstoffe stellt eine wichtige Quelle für die Energieversorgung dar – sowohl bei der Erzeugung von elektrischer Energie als auch bei der Bereitstellung von Wärme entweder zu industriellen Prozesszwecken oder zum Heizen. Einerseits versteht man unter festen Brennstoffen Kohle als fossilen Brennstoff, andererseits gewinnen aber auch Brennstoffe aus erneuerbaren Quellen – beispielsweise Holz oder andere Biomassen – zunehmend an Bedeutung. Die bei der Verbrennung ablaufenden einzelnen Teilprozesse – beispielsweise das Austreten von brennbaren Gasen (sog. „Flüchtige“) aus den Brennstoffen während der Pyrolyse oder der Abbrand des Feststoffes selbst – sowie deren Wechselwirkungen sind bislang nur zum Teil verstanden.

Die Forschungsgruppe „Feststoffverbrennung“ am WSA beschäftigt sich wissenschaftlich mit verschiedenen Aspekten der Kohleverbrennung – angefangen von der Untersuchung einzelner Teilprozesse der Verbrennung wie der Zusammensetzung von Pyrolysegasen oder der Kinetik des Feststoffabbrands über die Untersuchung an Staubflammen im Technikumsmaßstab (bis 100 kW) bis hin zu Simulationen und Untersuchungen für großtechnisch ausgeführte Feuerungen. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeiten in den vergangenen Jahren bildet dabei die Oxyfuel-Verbrennung als eine mögliche Technologie zur CO2-Abscheidung aus Verbrennungsprozessen (CCS). Daneben wurden auch Untersuchungen zur sogenannten FLOX®-Verbrennung von Kohle untersucht, einem schadstoffarmen Verbrennungsverfahren, das sich durch besonders durch geringe Stickoxid(NOx)-Emissionen auszeichnet. Schließlich wird aber auch die Aufbereitung und Verarbeitung erneuerbarer biogener Brennstoffe untersucht. Beispielhaft stehen dafür Arbeiten zur sogenannten Torrefizierung von Biomasse, einem Röstverfahren, das die Lagerungs- und Transportfähigkeit von Biomasse zu Feuerungszwecken signifikant verbessern kann.

Als Untersuchungswerkzeuge kommen dabei verschiedene nicht-invasive Messverfahren zur Flammenuntersuchung wie beispielsweise Laser-Doppler-Anemometrie zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten, ein Chemilumineszenz-Kamera-System zur Identifikation der Reaktionszonen in der Flamme oder 2-Farben-Pyrometrie zur Bestimmung von Partikel- und Wandtemperaturen in der Brennkammer zum Einsatz; daneben werden aber auch Flammenuntersuchungen mittels Sonden durchgeführt. Zur globalen Analyse von Verbrennungsabgasen stehen verschiedene Analysatoren – unter anderem auch FTIR-Spektrometer – zur Verfügung.

Für die numerische CFD-Untersuchung von Verbrennungsvorgängen wurden verschiedene Teilmodelle entwickelt und implementiert, um so eine detaillierte, wissenschaftlich-fundierte Simulation der Feststoffverbrennung durchführen zu können.