Schadstoffbildungs- und -reduktionsmechanismen (NOx, CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, PAK) bei stationären und instationären Verbrennungsprozessen



 Abb. 1: Polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
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Bei vielen technischen Verbrennungsprozessen entstehen als Vorstufe der Bildung von Russ polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die beide als gesundheitsschädlich gelten. Um deren Konzentrationen zu minimieren, ist eine genaue Kenntnis der Bildungs- und Abbauwege erforderlich. Dafür werden chemisch-kinetische Reaktionsmechanismen benötigt, die all diese wichtigen Einzelreaktionen enthalten und somit eine zuverlässige Vorhersage sowohl der PAK- als auch der Rußkonzentrationen für technische Verbrennungsprozesse erlauben.

Für die Auslegung von Verbrennungsprozessen werden heutzutage numerische Berechnungsverfahren (Computational Fluid Dynamics, CFD) benutzt. Da diese Werkzeuge auch auf absehbare Zeit nicht in der Lage sein werden detaillierte chemische Mechanismen zu verarbeiten,  besteht ein Bedarf an vereinfachten chemischen Modellen, die trotzdem die Konzentrationen mit hinreichender Genauigkeit vorhersagen können.

Für die Anwendung in Gasturbinenbrennkammern arbeitet die Abteilung Chemische Kinetik zurzeit an einem PAK - Sub- Mechanismus, der detailliert das Wachstum von PAKs bis zu einer Ringgröße von 5 aromatischen Ringen beschreibt, Abb. 1.  Dieser Sub-Mechanismus wurde anhand experimenteller Daten validiert und optimiert. Diese Daten (Teilchenprofile, Rußvolumenbruch) wurden von 14 verschiedenen Arbeitsgruppen erarbeitet, für CH4-, C2H4-, C3H6, C3H8, C7H8 und n-C7H16-Gemische, bei Atmosphärendruck in laminaren vorgemischten Flammen sowie in Stoßrohren bei erhöhtem Druck, Abb. 2. Die aus der Modellierung erhaltenen Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten über den gesamten untersuchten Parameterbereich von Temperaturen, Mischungsverhältnissen und Drücken.

Die Modellierung der Rußkonzentration erfolgt auf der Basis einer Erweiterung des Frenklach/Wang-Rußmodells (siehe Rußbildung), welches eine detallierte PAK- Chemie für die Beschreibung der Koagulation und des Wachstums der Rußteilchen benutzt (Abb. 3).

 Abb. 2: Molenbrüche verschiedener PAKs einer vorgemischten laminaren Flamme mit CH<sub>4</sub>/O<sub>2</sub>/Ar-Gemisch bei einem Druck von 1 bar und Äquivalenzverhältnis Φ = 2,6.
zum Bild Abb. 2: Molenbrüche verschiedener PAKs einer vorgemischten laminaren Flamme mit CH4/O2/Ar-Gemisch bei einem Druck von 1 bar und Äquivalenzverhältnis Φ = 2,6.
 Abb. 3: Rußvolumenbruch einer laminaren Flamme mit Propen-Luft- Gemisch bei verschiedenen Drücken und Äquivalenzverhältnissen.
zum Bild Abb. 3: Rußvolumenbruch einer laminaren Flamme mit Propen-Luft- Gemisch bei verschiedenen Drücken und Äquivalenzverhältnissen.

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