Entwicklung eines FLOX-basierten Brennersystems für eine rekuperierte Mikrogasturbine im kleinen Leistungsbereich

Abstract

Während die derzeit auf dem Markt befindlichen Mikrogasturbinen (MGT) zur Kraft-Wärme-Kopplung aufgrund ihrer elektrischen und thermischen Leistung für den Einsatz in Gewerbeobjekten ausgelegt sind, befinden sich Mikrogasturbinen für den Einsatz in kleinen Mehrfamilienhäusern noch in der Entwicklung. Um den elektrischen Wirkungsgrad von MGTs in niedrigen Leistungsklassen zu erhöhen, kommen Hochtemperaturrekuperatoren zum Einsatz, welche zu vergleichsweise hohen Brennkammereintrittstemperaturen führen. Für das Brennkammersystem stellen diese hohen Eintrittstemperaturen eine Herausforderung dar. Insbesondere beim Betrieb mit einer für geringe Stickoxidemissionen erwünschten Vormischung von Luft und Brennstoff bergen die hohen Eintrittstemperaturen in konventionellen Brennersystemen das Risiko eines Flammenrückschlags. Hier bietet sich das Verbrennungskonzept zur Flammenlosen Oxidation (FLOX®) an, welches selbst bei hohen Brennkammereintrittstemperaturen einen vorgemischten Betrieb ermöglicht. Gleichzeitig sorgt es für eine homogene Temperaturverteilung ohne lokale Temperaturspitzen in der Brennkammer, was für niedrige Stickoxidemissionen essentiell ist. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung eines einstufigen, FLOX® basierten Brennkammersystems für eine Mikrogasturbine mit einer zugeführten thermischen Leistung von < 25 kW, das die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte für NOx- und CO deutlich unterschreitet. Herausforderungen hierbei waren insbesondere die hohen Brennkammereintrittstemperaturen von bis zu 730°C sowie die durch den geringen Bauraum und die geringe Leistungsklasse bedingten Abmessungen der Bauteile. Darüber hinaus sollten die zur Auslegung des Brennkammersystems eingesetzten numerischen Modelle hinsichtlich ihrer Eignung bzw. ihrer Grenzen für die Auslegung derartiger Brennersysteme beurteilt werden. Der Funktionsnachweis über die Einhaltung der Emissionsziele innerhalb des Betriebsbereichs erfolgte auf einem optisch zugänglichen Brennerprüfstand unter atmosphärischen Bedingungen. Darüber hinaus wurden die Einflüsse von thermischer Leistung, Vorwärmtemperatur und Luftzahl auf den Druckverlust, die NOx- und CO-Emissionen sowie auf die Form und Lage der Wärmefreisetzungszone untersucht. Anhand dieser Ergebnisse wurde der Betriebsbereich für den Einsatz in der MGT und die gewünschte Aufteilung zwischen Primär- und Sekundärluft festgelegt. Zusätzlich wurde an ausgewählten Lastpunkten das Strömungsfeld und die Lage der Wärmefreisetzungszone simultan mittels laserbasierter Messtechnik untersucht, um die eingesetzten numerischen Modelle bewerten zu können. Dies war erforderlich, da für diesen Leistungsbereich keine Validierungsdaten zur Verfügung standen und die Auslegung des Brennkammersystems für den Einsatz in der MGT (insbesondere bzgl. der Position und Fläche der Mischluftbohrungen) aufgrund eines fehlenden optischen Zugangs an der MGT mittels numerischer Simulationen erfolgen musste. Anschließend erfolgte die Integration in die MGT und die experimentelle Untersuchung des Brennkammersystems. Im atmosphärischen Brennerprüfstand wies der Brenner einen weiten stabilen Betriebsbereich bei gleichzeitig niedrigen Emissionen auf. Die NOx-Emissionen lagen dabei unabhängig von der thermischen Leistung für den untersuchten Luftzahlbereich deutlich unterhalb des gesetzlichen Grenzwerts. Der CO-Grenzwert wurde im relevanten Leistungsbereich ebenfalls in einem weiten Luftzahlbereich unterschritten. Anhand der Emissionen sowie des Druckverlusts ergab sich für den Volllastfall eine angestrebte Soll-Luftzahl am Brennerkopf von λ = 2,1. Die Bewertung der eingesetzten numerischen Modelle erfolgte anhand der beiden stationären Lastpunkte Voll- und (minimale) Teillast und zeigte, dass die Hauptcharakteristika der Strömung (wie z. B. die innere Rezirkulationszone) wiedergegeben werden. Jedoch wurde die Länge und Breite der Rezirkulationszone von der numerischen Simulation überschätzt, genauso wie die Maximalgeschwindigkeit der eindringenden Jets. Im Volllastfall konnte eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation bzgl. der Lage der Wärmefreisetzungszone erzielt werden; im Teillastfall konnte die Qualität der Simulation unter Berücksichtigung von Wandwärmeverlusten deutlich verbessert werden. Die experimentelle Untersuchung in der Mikrogasturbine zeigte, dass das Brennkammersystem auch hier über den gesamten Betriebsbereich stabil betrieben werden kann. Die NOx-Emissionen lagen dabei im gesamten Betriebsbereich unterhalb des in der TA Luft gesetzten Grenzwerts. Auch die CO-Emissionen unterschritten die Vorgaben der TA Luft signifikant. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das erste einstufige FLOX®-basierte Brennersystem entwickelt, das in einer Mikrogasturbine den gesamten Betriebsbereich von kalter Zündung über Teillast bis hin zu Volllast abdecken kann und das bei gleichzeitiger Einhaltung bzw. deutlicher Unterschreitung der in der TA Luft festgesetzten NOx- und CO-Emissionsgrenzwerte. Zudem konnte gezeigt werden, dass die verwendeten numerischen Modelle sich grundsätzlich für die Auslegung derartiger Brennersysteme eignen.