About the flameless combustion of pulverized coal at the pilot scale : experiment and simulation

Abstract

Die flammlose Verbrennung hat in der Vergangenheit ihr großes Potential zur Vermeidung von Stickoxiden (NOx ) und zur Homogenisierung der Reaktionszone und des Temperaturfeldes bewiesen. NOx ist einer der Hauptschadstoffe, der von Feuerungsanlagen ausgestoßen wird. Eine Senkung der NOx-Konzentrationen am Feuerraumende reduziert den Aufwand bei der anschließenden Rauchgasreinigung, der sonst durch die in Zukunft zu erwartenden strengeren Grenzwerte stiege. Verschiedene bekannte Methoden zur Charakterisierung der flammlosen Verbrennung sind in dieser Arbeit zusammengefasst. Die flammlose Verbrennung ist durch eine hohe interne Rezirkulation heißer Rauchgase und einer dadurch hervorgerufenen starken Verdünnung der neu eintretenden Reaktanden Verbrennungsluft und Kohlenstaub charakterisiert. Eine homogene Reaktionszone und ein entsprechend vergleichmäßigtes Temperaturfeld sind neben der Senkung des lokalen Sauerstoffgehalts die Garanten für die Senkung der NOx-Konzentration. Des Weiteren erlaubt ein homogenes Temperaturfeld ein höheres Rauchgastemperaturniveau, da bei der Brennkammerauslegung geringere Sicherheiten gegen Temperaturspitzen berücksichtigt werden können, als dies aufgrund der größeren Temperaturschwankungen bei konventionellen Brennern notwendig ist. Somit kann ein besserer Ausbrand aufgrund besserer Brennstoffkonversion durch ein erhöhtes Temperaturniveau erwartet werden. Diese Arbeit untersucht experimentell und simulativ die flammlose Verbrennung einer hochflüchtigen Steinkohle im Pilotmaßstab. Es wird aufgezeigt, wie unterschiedliche Brennerdesigns und verschiedene Kohle-Traggastypen die flammlose Verbrennung von Kohlenstaub beeinflussen. Dafür werden zwei verschiedene Brennerprototypen untersucht: der erste Brenner hat einen zentralen Ringspalt für das Kohle-Traggasgemisch sowie zwei exzentrische, einander gegenüberliegende Verbrennungsluftdüsen, beim zweiten Brenner sind auch die Ringspaltdüsen für das Kohle-Traggasgemisch exzentrisch angeordnet. Beide Brennerprototypen sind darauf ausgelegt, eine ausreichend hohe interne Rauchgasrezirkulation zu gewährleisten. Detaillierte experimentelle Daten stehen zum Strömungsfeld durch Laser-Doppler-Anemometrie (LDV), zur Reaktionszone mit ihrer Topologie und der vorherrschenden Reaktionsintensität durch die Abbildung der OH*-Chemilumineszenz und zu den Hauptreaktanden und den vorherrschenden Temperaturen durch Absaugsonden zur Verfügung und werden analysiert. Des Weiteren werden auch die Gesamt- und Strahlungswärmestromdichten analysiert. Zwei unterschiedliche flammlose Versuchsbedingungen werden für jeden Brennerprototypen evaluiert. Die Wahl des Kohle-Traggases, CO2 oder Luft, beeinflusst den Ausbrand und die NOx-Entstehung stark, wenn die Ringspaltdüse für das Kohle-Traggasgemisch zentral im Brenner angeordnet ist. Sobald der Kohlenstaub direkt in die heiße und sauerstoffarme Rauchgasrezirkulationszone eingeblasen wird, werden ähnliche Ergebnisse, unabhängig vom Kohle-Traggastyp, erreicht. Ein moderner Low-NOx-Flammenbrenner mit und ohne Luftstufung dient als Referenz. Dieser zeigt gute Ergebnisse hinsichtlich der gemessenen NOx -Konzentrationen, die ähnlich gut oder sogar niedriger sind als die der flammlosen Brennerprototypen, wenn Luftstufung genutzt wird. Daraus wird geschlossen, dass für geringere NOx-Konzentrationen eine weitere Absenkung der O2-Konzentration in der Reaktionszone der flammlosen Brennerprototypen erreicht werden muss, entweder durch Luftstufung oder durch Verstärkung der internen Rauchgasrezirkulation. Um eine stabile flammlose Verbrennung zu erreichen, wird für feste Brennstoffe ein Grenzwert der internen Rauchgasrezirkulation empfohlen, der über dem Grenzwert von 350 % für gasförmige Brennstoffe liegt. Die flammlose Verbrennung wird zweitens mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD) untersucht. Hierfür wird das IFK-eigene Programm AIOLOS eingesetzt, das die reaktive Strömung auf Basis der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen beschreibt. Das CFD-Programm wird anhand der experimentellen Daten für die flammlose Verbrennung von Kohlenstaub validiert. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Vermischung von eintretenden Reaktanden und rezirkliertem Rauchgas, sowie den in einer verdünnten Atmosphäre stattfindenden chemischen Reaktionen. Somit wird die Modellierung der Turbulenz, der Turbulenz-Chemie-Interaktion und der chemischen Reaktionen, einschließlich der NOx-Schadstoffreaktionen, untersucht. Drei k-ε Turbulenzmodelle werden mit den experimentellen Geschwindigkeitsdaten verglichen, wobei das RNG k-ε Modell die besten Übereinstimmungen liefert. Verschiedene Modellkonstanten des Eddy-Dissipation-Concept (EDC) Modells werden zur Beschreibung der Turbulenz-Chemie-Interaktion getestet, und ein Bestsatz identifiziert. Das globale Verbrennungsreaktionsmodell wird hinsichtlich der Anwendung eines detaillierten Pyrolysemodells evaluiert. Die Modellierung der NOx-Entstehung und -Reduktion erfolgt im sogenannten Post-Processing, auf Basis der konvergierten Verbrennungssimulation. Dafür wird ein globales Reaktionsmodell eingesetzt, das die Bildungspfade Brennstoff-NO und thermisches NO berücksichtigt. Wie bereits für das Verbrennungsreaktionsmodell wird der Einfluss eines detaillierten Pyrolyse-Pre-Processing untersucht, da die Aufteilung des Brennstoff-N in Koks-N, Teer-N und Flüchtigen-N zu Beginn des NOx-Post-Processings dessen Ergebnis signifikant beeinflussen kann. Dabei spielt die Freisetzung von Koks-N eine wichtige Rolle für die berechnete NOx-Konzentration am Brennkammerende. Die experimentellen Ergebnisse stellen die Notwendigkeit einer hoch verdünnten Atmosphäre bei gleichzeitig hohem Temperaturniveau oberhalb der Selbstentzündungstemperatur des Brennstoffs heraus, um eine gute NOx -Reduktion und Brennstoffkonversion zu erreichen. Die numerischen Ergebnisse heben die Wichtigkeit einer detaillierten Analyse der Pyrolyseprodukte hervor. Dies gilt sowohl für das Verbrennungs- als auch das NOx-Reaktionsmodell.