Gaspotentiometrische und thermogravimetrische Abbranduntersuchungen von Braun- und Steinkohlen in Luft und in O2-CO2-Atmosphären

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Abbrandverhalten von verschiedenen Kohlen in Luft- und O2/CO2-Atmosphären untersucht. Für diese Anwendung wird eine neue Untersuchungsmethode entwickelt, mit der das vollständige Abbrandverhalten von Festbrennstoffen bei hohen Aufheizraten und turbulenten Strömungsbedingungen erfasst werden kann. Die Entwicklung der Untersuchungsmethode umfasst Dimensionierung, Aufbau, Inbetriebnahme und Optimierung einer 20 kWth-atmosphärischen Laborverbrennungsanlage (ALVA 20). Mit ihr werden umfangreiche experimentelle Messkampagnen durchgeführt, um das Abbrandverhalten von drei Braun- und sechs Steinkohlen zu charakterisieren. Neben der Brennstoffzusammensetzung werden Partikelgröße, Verbrennungstemperatur und Verbrennungsgaszusammensetzung variiert. Ziel dieser grundlagenorientierten Untersuchungen ist die Charakterisierung des Abbrandverhaltens in unterschiedlichen Gasatmosphären, um den Einfluss erhöhter CO2- Konzentrationen im Verbrennungsgas auf den Verbrennungsverlauf zu ermitteln. Die in der vorliegenden Arbeit ermittelten Versuchsergebnisse spiegeln die aus der Theorie bekannten Zusammenhänge bezüglich des Einflusses von Partikelgröße, Brennstoffzusammensetzung und Temperatur wieder. Mit steigender Partikelgröße, steigendem Inkohlungsgrad und sinkender Temperatur nimmt die Verbrennungszeit zu. Diese Gesetzmäßigkeiten gelten nicht nur für die Verbrennung in Luft, sondern auch für die untersuchten O2/CO2-Atmosphären. Um den Einfluss einer erhöhten CO2-Konzentration im Verbrennungsgas auf das Abbrandverhalten zu bestimmen, werden insbesondere die Abbrandverläufe in Luft- und O2/CO2-Atmosphären mit vergleichbarem Sauerstoffgehalt betrachtet. In O2/CO2-Atmosphären ist tendenziell eine verspätete Zündung der Flüchtigen zu erkennen. Allerdings ist dieser Effekt nicht ausgeprägt. Dahingegen weisen die Brennstoffe in O2/CO2-Atmosphären einen beschleunigten Koksabbrand auf, der auf die Boudouard-Reaktion zurückzuführen ist. CO2 stellt im Gegensatz zu N2 kein Inertgas im Verbrennungsgas dar, so dass die höheren CO2-Konzentrationen den Reaktionsweg der Kohlenstoffumsetzung und die damit verbundenen chemischen Reaktionsmechanismen beeinflussen und beschleunigen. Zur weiterführenden Auswertung der experimentellen Ergebnisse werden weiterhin zwei mathematische Abbrandmodelle entwickelt, mit denen die makrokinetischen Parameter bestimmt werden. Diese Parameter stellen wichtige Eingangsgrößen für die numerische Strömungssimulation dar.