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Entwicklung von Brennern und Verbrennungssystemen

Vor dem Hintergrund steigender Energiepreise und sinkender Emissionsgrenzwerte, aberauch durch höhere Qualitätsanforderungen an die Produkte oder veränderte Produktionsbedingungen rückt in der Kraftwerksindustrie und in der Hochtemperaturverfahrenstechnik die Entwicklung flexibler Brenner und Verbrennungstechnologien mit optimiertem Energieverbrauch in den Fokus des Interesses. Die Entwicklung und Untersuchung von emissionsarmen Brennern und energieeffizienten Feuerungstechnologien sind einer der Schwerpunkte der Arbeiten am IEVB. Dabei steht insbesondere die Nutzung von festen und flüssigen Alternativbrennstoffen im Vordergrund. Eine Vielzahl von Prüfständen zur Entwicklung und Untersuchung von Verbrennungsprozessen bis zu einer thermischen Leistung von 1 MW stehen im IEVB zur Verfügung. Darüber hinaus begrenzt sich die Auslegung von Brennern und Verbrennungstechnologien oft nicht nur auf die emissionsarme und effiziente Verbrennung, sondern ist mit weiteren Zielsetzungen gekoppelt, wie z.B. mit Rückgewinnung von Wertstoffen und Wertmetallen im Verbrennungsprozess. Ein Beispiel stellt ein Forschungsvorhaben dar, das im Zeitraum 2006 - 2008 in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Industrieunternehmen im IEVB durchgeführt wurde. Das Projekt befasste sich mit experimentellen und theoretischen Untersuchungen zur Rückgewinnung eines Refraktärmetalloxids (RxOy) durch Verbrennung einer organischen refraktärmetallhaltigen Komplexlösung. Im Projekt wurden einzelne notwendige Verfahrensschritte betrachtet, die eine erfolgreiche Rückgewinnung von RxOy durch die Verbrennung eines refraktärmetallhaltigen Flüssigrückstands ermöglichen. Dazu gehören: Brennstoffvorbereitung, Homogenisierung und Dosiersystem, Brennerauslegung und Auswahl eines geeigneten Brennstoffzerstäubers, Zündung des Brennstoffes, gezielte Verbrennungsführung mit Luftstufung und Abgasrezirkulation für die Minimierung der NOx-Emissionen sowie notwendige Kühlmechanismen zur Ausbildung gewünschter Kristallstrukturen und Korngrößen. Die experimentellen Untersuchungen wurden in zwei Verbrennungsbrennkammern durchgeführt: im Technikumsmaßstab in der 50 kW vertikalen Brennkammer (DFCC, siehe Abbildung 1) und in einer 500 kW Brennkammer im halbtechnischen Maßstab (TBK, Abbildung 2). In der ersten Phase wurden in der DFCC zunächst 300 kg des flüssigen Ausgangsstoffs verbrannt. Im weiteren Projektverlauf wurden dann in mehreren Kampagnen insgesamt 10 Tonnen des Ausgangsstoffs verbrannt.

 

 Abb. 1: Schematische Darstellung der 50 kW vertikalen Brennkammer (DFCC)

 

 

 

 

Abb. 2: Schematische Darstellung der 500 kW Pilotdrallbrennkammer

 

 

Abbildung 3 zeigt die in der DFCC bei der Verbrennung der Refraktärmetallkomplexlösung gemessene Abgaszusammensetzung und Emissionen. Das in der DFCC im Kassetten-Gewebe-Filter kistallisierte Refraktärmetalloxid (RxOy) ist in Abbildung 4 zu sehen. Die Rückgewinnungsrate des Refraktärmetalloxids betrug 2 - 3 % des verbrannten Einsatzstoffes. Abbildung 5 zeigt den  Restkohlenstoffgehalt in dem kristallisierten RxOy als Funktion der Versuchszeit in der 500 kW Brennkammer. Für die weitere chemische Verarbeitung des kristallisierten Refraktärmetalloxids zu reinem Refraktärmetall war ein C-Gehalt unterhalb eines gegebenen Grenzwerts notwendig.

 

 

Abb. 3: Abgaskonzentration und Emissionen entlang der Brennkammer

 

Abb. 4: Kassetten-Gewebe-Filter mit dem kristallisierten RxOy

 


 

Abb. 5: Restkohlenstoffgehalt im kristallisierten RxOy mit Zielwert C-Gehalt

 

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden theoretische Untersuchungen mit kommerzieller CFD-Software durchgeführt, die die Brennerauslegung und den Verbrennungsprozess optimiert haben. Abbildung 6 zeigt exemplarisch ausgewählte Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen: Temperaturprofil in der halbtechnischen Brennkammer, Gasströmungslinien in der Brennkammer, brennende Brennstofftropfen in der Brennkammer. Im weiteren Projektschritt wurde das Wachsen der Korngröße von Refraktärmetalloxidkristallen untersucht. Der Prozess des Kristallwachsens wurde durch gezielte Kühlung des Abgasstromes mit Wasser- und Lufteindüsung in der Kristallisationszone gesteuert (siehe Abbildung 7). Das Ziel der Projektphase war die Bildung von ausreichend großen Refraktärmetalloxidkristallen in der Kristallisationszone, die ohne Probleme im Gewebeschlauchfilter aus dem Abgasstrom abgeschieden und in weiteren verfahrenstechnischen Schritten zu reinem Refraktärmetall bearbeitet werden konnten.
Abbildung 8 zeigt qualitativ drei verschiedene Abkühlgeschwindigkeiten des Abgases in der Kristallisationszone. Abbildung 9 zeigt Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von kristallisierten Refraktärmetalloxidkristallen bei den drei Abkühlgeschwindigkeiten des Abgases. Nur die gröbsten auf der Abbildung 9B gezeigten RxOy-Kristalle waren aufgrund der Abscheidung im Gewebeschlauchfilter akzeptabel.

 

 

Abb. 6: CFD Modellierung, A) Temperaturprofil in der industriellen Brennkammer, B) Gasströmungslinien in der Brennkammer, C) brennende Brennstofftropfen in der Brennkammer

 

 

Abb. 7: Kristallisationszone mit Wasserlanzen für die Abgaskühlung

 

 

 

 

Abb. 8: Drei verschiedene Abgasabkühlgeschwindigkeiten in der Kristallisationszone

 

 

 

 

Abb. 9: REM-Aufnahmen von Refraktärmetalloxidkristallen bei drei verschiedenen Abkühlgeschwindigkeiten: A) Einfache Kühlrate, B) Doppelte Kühlrate und C) Dreifache Kühlrate

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Y. Poyraz

 

 

 

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