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Experimentelle Untersuchungen an einem Gasflammenreaktor zur Charakterisierung der Gasphasenverbrennung in Biomasserostfeuerungen

Published 2012

Citation: Kamnig, H. Experimentelle Untersuchungen an einem Gasflammenreaktor zur Charakterisierung der Gasphasenverbrennung in Biomasserostfeuerungen, Master Thesis, Technische Universität Graz, Graz, Austria, 2012.

Abstract

 Ziel der Diplomarbeit war die Bereitstellung von Messdaten für die Entwicklung eines Gasphasenverbrennungsmodells, welches den niedrig-turbulenten Strömungsbereich und den Einfluss der Strähnenbildung auf den Mischungsfortschritt von partiell vorgemischten Flammen über dem Brennstoffbett von Biomasse-Rostfeuerungen abbildet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion und dem Bau eines Flammenreaktors und einer Gasverteilungsstation zur Erzeugung von kalten Strömungen ohne chemische Reaktion und partiell vorgemischten Flammen mit chemischer Reaktion, welche die niedrig-turbulenten Strömungen über dem Brennstoffbett in Biomasse Rostfeuerungen genähert abbilden sollen. Zur Untersuchung der auftretenden Gas- und Luftsträhnen und deren Einfluss auf den Mischungsfortschritt über dem Biomasse Brennstoffbett, wurde für den Versuchsaufbau ein Düsenkonzept zur Gas- und Luftverteilung verwendet. In kalten Strömungen sollen die Mischungseffekte niedrig turbulenter Strömungen sowie der Mischungsfortschritt aufgrund der Strähnenbildung, entkoppelt von chemischen Reaktionen, untersucht werden. In den Flammen gilt es zusätzliche Einflüsse, wie die Expansion des Gases und die chemischen Reaktionen, zu untersuchen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden im Flammenreaktor extraktive FTIR- und RGA-Spezieskonzentrationsmessung in kalten Strömungen und in Flammen sowie optische LDA-Gasgeschwindigkeitsmessungen in kalten Strömungen durchgeführt. Für die finalen Messungen wurden nur Gaskonzentrationsmessungen mittels FTIR und RGA durchgeführt und diskutiert, da die LDA-Messeinheit nicht mehr zur Verfügung stand. Die Messergebnisse in kalten Strömungen mit einem CO2/N2-Gasgemisch und einem Luftstrom, liefern rotationssymmetrische CO2- und O2-Konzentrationsprofile. Die Messergebnisse zeigen, dass der Mischungsfortschritt entlang der Strömungsrichtung weitgehend entkoppelt ist von den Gaseintrittsgeschwindigkeiten vGas=2 m/s bis vGas=4. Die Konzentrationsergebnisse der Messungen mit den CO2/N2/Luft-Gemischen konnten mittels einer Stoffbilanz erfolgreich geprüft werden. Die Messergebnisse in kalten Strömungen entsprechen bezüglich der Gasgeschwindigkeiten zwischen 2 und 4 m/s sowie mit den Reynoldszahlen zwischen 800 und 9000 den laminaren bis niedrig-turbulenten Strömungsbedingungen von partiell vorgemischten Flammen über dem Brennstoffbett in Biomasse Rostfeuerungen. Die Messergebnisse der Flammenmessungen mit einem CH4/Luft-Gasgemisch und einem Luftstrom, liefern mit RGA- und FTIR-Messungen nicht reproduzierbare Ergebnisse innerhalb der Flamme und weisen große Gasspeziesasymmetrien in der Flamme auf. Die Messergebnisse zeigen, dass die Gaseintrittsgeschwindigkeiten vGas=2 m/s bis vGas=4 mit dem Verbrennungsfortschritt von CH4 in Strömungsrichtung gekoppelt sind. Die Konzentrationsergebnisse der Flammenmessungen mit einem CH4/Luft-Gemisch konnten mit den vorhandenen Messwerten nicht erfolgreich mittels einer Stoffbilanz geprüft werden. Zusammengefasst liefen die Konzentrationsmessungen in kalter Strömung sehr gute Messergebnisse in Hinblick auf Strömungsstabilität, rotationssymmetrische Strömungsausbildung und Messgenauigkeit. Für Messungen in kalten Strömungen sind die Messverfahren mittels FTIR und RGA zur Konzentrationsmessung und das LDA-Messverfahren zur Gasgeschwindigkeitsmessung zu empfehlen. Die RGA- und FTIR-Konzentrationsmessungen in den Flammen liefern keine zufriedenstellenden Messergebnisse aufgrund von Flammenasymmetrien sowie dem Einfluss der extraktiven Probenahme mittels einer Probenahmelanze. Für Flammenmessungen im Reaktor sind berührungsfreie, optische Messverfahren mit einer hohen Messauflösung zu empfehlen. Durchlichtverfahren benötigen zwei optische Zugänge zum Messraum. Für die Anwendung von Durchlichtverfahren müsste der Flammenreaktor von einem auf zwei optische Zugänge umgebaut werden.