Charakterisierung der Verbrennungseigenschaften von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen aus biogenen Quellen und industriellen Prozessen



Die Abteilung Chemische Kinetik befasst sich experimentell und numerisch mit Fragestellungen, die mit der Verwendung von alternativen Brennstoffen wie z.B. von biogenen Vergasungsgasen, stark wasserstoffhaltigen Synthesegasen, Alkoholen, synthetischen Kerosinen sowie der CO2-Reduzierung verbunden sind. Dies bezieht sich auf Fragen der Verbrennungseigenschaften wie Selbstzündung, Wärmefreisetzung und Flammenlöschung, sowie auf Probleme der Schadstoffbildung, insbesondere für die Nutzung in modernen Gasturbinen und in Motoren.

 Alternative Treibstoffe - Vorkommen und Verwendung
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Zu alternativen Brennstoffen zählen z.B. feste Brennstoffe wie Holz und biogene Abfall- und Reststoffe, flüssige Brennstoffe wie Bioalkohol aus erneuerbaren Quellen  und synthetische Kerosine (BtL, GtL, SPK, ATJ, etc.) und gasförmige Brennstoffe wie Biomethan – gewonnen z.B. aus Vergärungsprozessen von Pflanzenmaterial, Synthesegase aus der Vergasung von Biomasse oder Wasserstoff, usw.  

Beispielsweise bestehen biogene Vergasungsgase je nach eingesetzter Biomasse und benutztem Vergasertyp aus unterschiedlichen Anteilen von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser. Wasserstoff zeichnet sich durch eine große laminare Flammen­geschwindigkeit, einen weiten Zündbereich und eine hohe adiabate Verbrennungstemperatur aus. Wegen der hohen Reaktivität von Synthesegasen muss das Zündverhalten eingehender betrachtet werden, um Beschädigungen der Brenner oder gar der Gasturbine aufgrund von möglichen Selbstzündungen oder Flammenrückschlägen auszuschließen.

 Laminare Flammengeschwindigkeiten und Zündverzugszeiten von verschiedenen Brennstoffen
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Das Verbrennungsverhalten biogener Prozessgase unter realen Bedingungen ist  wegen deren Vielfalt der spezifischen Zusammensetzung derzeit noch nicht hinreichend genau bekannt, um einen störungsfreien Betrieb in Gasturbinen und -Motoren sowie in Brennstoffzellen zu gewährleisten. Um die Nutzungs- und Anwendungsmöglichkeiten ausschöpfen zu können (z.B. Brennstoffflexibilität, Einsatz in verschiedenen Anlagen, z.B. auch dezentral in einer Mikrogasturbine), muss die experimentelle Datenbasis erweitert werden, insbesondere durch Messen der laminaren Flammen­geschwindigkeit und der Zündverzugszeiten bei hohen Drücken, hohen Vorwärmtemperaturen und in einem weiten Brennstoff-Luft-Bereich.

Durch Vergleich mit den experimentellen Datensätzen können dann detaillierte Reaktionsmechanismen entwickelt, überprüft und optimiert werden. Diese Reaktionsmodelle erlauben eine verlässliche Vorhersage von charakteristischen Verbrennungsprozessen für eine Vielzahl von Betriebsparametern. Anschließend können vereinfachte Reaktionsmodelle erarbeitet werden, die für numerische Simulationen dringend benötigt werden.


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