Untersuchung des Einflusses der Brennstoffqualität (Verunreinigungen, Additive u.a.) auf die Zünd- und Verbrennungseigenschaften



Hauptziel bei der Entwicklung verbesserter Verbrennungstechnologien ist neben der Steigerung der Effizienz sowie der Verringerung von Schadstoffemissionen der wirtschaftliche Einsatz von Brennstoffen in unterschiedlicher Qualität. Je nach Designkonzept eines Verbrennungsprozesses, sei es in einer Turbine oder in einem Motor, muss die Zusammensetzung des Brennstoffes innerhalb fester Spezifikationen liegen, damit die Verbrennung optimal hinsichtlich des Emissionsverhaltens und/oder des Brennstoffverbrauches verläuft. Gleichzeitig muss sichergestellt sein, dass der Brenner und/oder die Brennkammer nicht beschädigt werden. Letzteres ist von enormer wirtschaftlicher Bedeutung, für Hersteller und Betreiber.

Brennstoffqualität

Am Beispiel des „einfachen“ Brennstoffs Erdgas ist leicht nachvollziehbar, welche Bedeutung „Brennstoffqualität“ für moderne Energieerzeugungsprozesse hat. Die Zusammensetzung des Erdgases variiert sehr stark in Abhängigkeit seines Ursprungs. Die Erdgaslieferanten reinigen das Erdgas und mischen u.a. Erdgase verschiedener Quellen, vor allem in Hinblick auf den Brennwert, bevor sie es an die Energieerzeuger weitergeben. Deshalb ist die genaue Zusammensetzung eines Erdgases variabel; dies wirft sofort die Frage für den Hersteller, aber auch für den Betreiber von z.B. Gasturbinen auf, wie genau die Spezifikationen aussehen müssen, die das lokale Erdgas an dem Einsatzort der Gasturbine erfüllen muss, damit eine störungsfreie Verbrennung sichergestellt ist. Typische Fragen sind: Welchen Anteil an Methan muss es haben, welchen Anteil an Ethan und weiteren höheren Kohlenwasserstoffen darf es noch haben? Denn je höher der Anteil an Ethan und höheren Kohlenwasserstoffen, desto größer ist die Gefahr eines Flammenrückschlages oder einer Selbstzündung des mit Luft vorgemischten Erdgases, mit gravierendem Schadenspotenzial.

Um die Betriebsgrenzen festzulegen, kann heutzutage, besonders in der Auslegungsphase, mit Hilfe geeigneter, validierter chemisch-kinetischer Reaktionsmechanismen geprüft werden, inwieweit die Verbrennungseigenschaften des Erdgasgemischs unter den gegebenen technischen Randbedingungen wie Vorheiztemperatur, Druck etc. durch die spezifische Zusammensetzung des Erdgases beeinflusst werden. Dies ist ein wesentlicher Schritt für die Auslegung eines Brennkammerkonzeptes und hilft, kritische Betriebspunkte schon zu diesem frühen Zeitpunkt zu identifizieren. So können die Anzahl von teuren Komponententests reduziert werden.

Deshalb gehört die Bereitstellung gesicherter und validierter chemischer Reaktionsmechanismen für Erdgasmodellbrennstoffe, aber auch alternativer Brennstoffgemische wie Synthesegase, biogene Gase und weitere Produktgase beispielsweise aus Abfallstoffen gewonnen, zu den zentralen Aufgaben der chemischen Kinetik mit dem Ziel, eine verbesserte rechnergestützte Auslegung und Optimierung technischer Verbrennungsprozesse im Hinblick auf die Brennstoffqualität zu erreichen. Dies gilt gleichermaßen für gasförmige wie auch flüssige Treibstoffe (synthetische und alternative Flugtreibstoffe).


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