Die Produktion von Synthesegas unter erhöhten Drücken erweist sich gegenüber atmosphärischen POX Prozessen als vorteilhaft [54]. Ein Ver-gleich von fünf verschiedenen detaillierten Reaktionsmechanismen (Ab-schnitt 3.1) ergab jedoch Abweichungen von bis zu 40% bei den berechne-ten Hauptprodukberechne-ten der Verbrennung. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit experimenteller Untersuchungen von brennstoffreichen POX-Flammen bei erhöhtem Druck. Diese Daten können zur Entwicklung geeigneter Reakti-onsmechanismen verwendet werden.
In diesem Abschnitt werden ausgewählte experimentelle Ergebnisse für φ = 2,7 in Abbildung 61 bis Abbildung 63 dargestellt. Die experimentellen
Synthesegaszusammensetzung Ergebnisse wurden mit den numerischen Ergebnissen des CalTech2.3 (durchgängige Linien) und des GRI3.0 (gestrichelte Linien) verglichen. Wie bei den Untersuchungen der atmosphärischen Flammen (Kapitel 5) bilden die ausgewählten Reaktionsmechanismen die maximalen und minimalen Werte der berechneten Konzentrationen ab (siehe Abschnitt 3.1).
Abbildung 61 zeigt die Ergebnisse der Flamme P27_573_1. Die Gradienten der Edukte und Hauptverbrennungsprodukte sind in den experimentellen Daten im Vergleich zu den Ergebnissen beider Mechanismen abgeflacht.
Hier zeigt der GRI3.0 die steilsten Gradienten. In der Reformierungszone (HAB ≥ 3 mm) berechnet der CalTech2.3 höhere Konzentrationen an H2 und CO, während der GRI3.0 höhere Werte für H2O, CO2 und CH4 vorhersagt. Im Falle der Flamme P2 (Abschnitt 5.2.3) beispielsweise liegen die Abweichun-gen bei HAB = 8 mm bei bis zu 24%. In Bezug auf H2 zeigen die experimentel-len Ergebnisse, inklusive der Unsicherheiten, eine gute Übereinstimmung mit dem GRI3.0. Die CO-Konzentrationen hingegen stimmen mit den Ergeb-nissen des CalTech2.3 überein. Die ermittelten Werte für H2O, CO2 und CH4
werden von beiden Mechanismen unterschätzt.
Aus den ermittelten Profilen der Synthesegas-Komponenten (H2, CO und CO2) kann das Profil der stöchiometrischen Zahl S = (H2-CO2)/(CO+CO2) (Gleichung 2.8) entlang der Flamme berechnet werden. Dies ist im unteren Graph von Abbildung 61 dargestellt. Die Zahl S ist eine wichtige Größe für den Anwendungsfall, da die Zusammensetzung der Synthesegas-Komponenten entscheidend für den Einsatz in nachfolgenden Synthesen ist.
Der Hauptunterschied zwischen beiden Mechanismen ist am Übergang von der Flammen- hin zur Reformierungszone zu erkennen. Im Falle des GRI3.0 erreicht S dort ein Minimum von S = 1,46, bevor es wieder ansteigt. Die Ergebnisse des CalTech2.3 hingegen sind über den gesamten untersuchten Bereich monoton fallend. In der Reformierungszone nähern sich die Ergeb-nisse beider Mechanismen einem S-Wert von S ≈ 1,5, wobei der CalTech2.3 etwas höhere Werte vorhersagt. Das Profil des experimentell ermittelten S-Profils zeigt einen ähnlichen Trend wie der GRI3.0 und weist ebenfalls ein
vorgemischten laminaren CH4/O2 – Flammen Minimum (HAB = 3 mm) auf. Die experimentell bestimmten Werte (Sex ≈ 1,29) liegen jedoch unterhalb der Werte beider Mechanismen.
Abbildung 61: Gemessene (Symbole) und berechnete (Linien) Konzentrationsverläufe und stöchiometrische Zahl S der Flamme P27_573_1.
Die Ergebnisse der Flamme P27_573_3 sind in Abbildung 62 dargestellt. Die experimentell ermittelten H2- und CO-Konzentrationen in der Reformie-rungszone entsprechen, unter Berücksichtigung der Unsicherheiten, den Ergebnissen des GRI3.0. Ähnlich wie bei der Flamme P27_573_1 berechnen beide Mechanismen niedrigere Werte als die experimentell ermittelten H2O, CO2 und CH4-Konzentrationen in der Reformierungszone. Einschließlich der
Synthesegaszusammensetzung experimentellen Unsicherheiten der H2O-Messungen stimmen die Ergebnis-se des GRI3.0 jedoch besErgebnis-ser mit den experimentellen Daten überein.
Abbildung 62: Gemessene (Symbole) und berechnete (Linien) Konzentrationsverläufe und stöchiometrische Zahl S der Flamme P27_573_3.
Die experimentell ermittelten S-Werte der Flamme P27_573_3 nähern sich einem, gegenüber P27_573_1, größerem Wert von Sex = 1,34 in der Refor-mierungszone an.
vorgemischten laminaren CH4/O2 – Flammen
Abbildung 63: Gemessene (Symbole) und berechnete (Linien) Konzentrationsverläufe und stöchiometrische Zahl S der Flamme P27_573_5.
Das dritte gezeigte Beispiel ist die Flamme P27_573_5 (Abbildung 63). Ein Vergleich der experimentellen und numerischen bestimmten Konzentrati-onsprofile zeigt die gleichen Tendenzen wie bei Flamme P27_573_3. Der experimentelle S-Wert (Sex = 1,43) in der Reformierungszone für Flamme P27_573_5 ist höher im Vergleich zu den beiden in Abbildung 61 und Ab-bildung 62 gezeigten Flammen.
Im Gegensatz zu den experimentellen S-Werten zeigen die numerischen Ergebnisse beider Mechanismen keinen Druckeinfluss. Für alle drei Flammen erreichen die S-Werte in der Reformierungszone einen Wert von S ≈ 1,50.
Synthesegaszusammensetzung In einem weiteren Schritt wurde der Einfluss von φ auf die Profile der Synthesegas-Komponenten und der daraus resultierenden stöchiometri-schen Zahl für die unterschiedlichen Betriebsdrücke untersucht (Abbildung 64 bis Abbildung 66).
Abbildung 64: Gemessene (Symbole) und berechnete (Linie) Synthesegas-Komponenten und resultierende stöchiometrische Zahl S der Flammen P25_573_1 und
P29_573_1.
Für φ = 2,5 zeigen die experimentell ermittelten H2- und CO-Konzentrationen eine gute Übereinstimmung mit den numerischen Ergeb-nissen des GRI3.0. Im Falle von φ = 2,9 werden Unterschiede festgestellt. Bei einem Betriebsdruck von p = 1 bara (Abbildung 64) zeigt das gemessene H2
-vorgemischten laminaren CH4/O2 – Flammen Konzentrationsprofil innerhalb der experimentellen Unsicherheiten den gleichen Trend wie die Ergebnisse des GRI3.0. Bei einem Druckanstieg auf p = 3 bara (Abbildung 65) und p = 5 bara (Abbildung 66) ist eine Verschiebung hin zu den numerischen Ergebnissen des CalTech2.3 zu beobachten. Ein Vergleich der gemessenen CO-Konzentrationen mit der Numerik zeigt gegenläufige Trends. Bei p = 1 bara stimmten Experiment und Ergebnisse des CalTech2.3 überein. Für höhere Drücke ist eine Verschiebung hin zu den Ergebnissen des GRI3.0 zu beobachten.
Für beide φ sind die Unterschiede zwischen den numerischen Ergebnissen der CO2-Konzentration marginal, wobei der GRI3.0 etwas höhere Werte voraussagt. Im Vergleich zu den experimentellen Ergebnissen unterschätzen beide Mechanismen die CO2-Konzentration über den gesamten untersuch-ten Bereich.
Vergleicht man die numerischen Ergebnisse aller untersuchten Flammen, nehmen die Unterschiede in den Konzentrationsprofilen zwischen GRI3.0 und CalTech2.3 mit zunehmendem Äquivalenzverhältnis zu. Eine Erhöhung des Betriebsdrucks hingegen zeigt nur einen geringen Einfluss auf die Unter-schiede zwischen den Ergebnissen beider Mechanismen.
Die Gleichgewichtskonzentrationen der Komponenten sind als gestrichelte Linien in Abbildung 64 bis Abbildung 66 dargestellt. Diese sind sowohl für beide Mechanismen als auch für alle untersuchten Druckstufen nahezu identisch. Für alle Flammen sind die Ergebnisse des CalTech2.3 im unter-suchten Bereich näher an den Gleichgewichtsbedingungen. Im Fall von P25_573_1 und dem CalTech2.3 befinden sich die Komponenten bei HAB = 10 mm nahezu im Gleichgewicht. Eine Druckerhöhung führt bei den Flammen P25_573_3 und P25_573_5 zu einer stromaufwärts gerichteten Verschiebung hin zu HAB = 7 mm bzw. HAB = 5 mm. Für zunehmende φ wird im betrachteten Bereich eine zunehmende Differenz zwischen den Ergebnis-sen und Gleichgewichtsbedingungen beobachtet. Ein Beispiel ist die berech-nete H2-Konzentration des CalTech2.3, welche für Flamme P29_573_1 bei HAB = 10 mm um mehr als 20% niedriger ist als im Gleichgewicht (Abbildung 64).
Synthesegaszusammensetzung
Abbildung 65: Gemessene (Symbole) und berechnete (Linie) Synthesegas-Komponenten und resultierende stöchiometrische Zahl S der Flammen P25_573_3 und
P29_573_3.
Bei dem Vergleich experimentell ermittelter Spezieskonzentrationen mit numerischen Ergebnissen (Abbildung 61 bis Abbildung 66) wird eine Ge-samtverschiebung hin zu den Ergebnissen des GRI3.0 für ansteigende Be-triebsdrücke beobachtet.
Für alle untersuchten Druckstufen führt eine Erhöhung von φ zu einer Zunahme von S. Eine Erhöhung des Betriebsdrucks von p = 1 bara auf p = 3 bara führt ebenfalls zu einer Zunahme von S, während eine weitere Erhöhung auf p = 5 bara keinen Effekt zeigt. Dies ist sowohl für φ = 2,5 als auch φ = 2,9 zutreffend. Verglichen mit den numerischen Ergebnissen zeigen
vorgemischten laminaren CH4/O2 – Flammen die Experimente für alle untersuchten Flammen geringere S-Werte. Dies kann unter anderem auf höhere gemessene CO2-Konzentrationen zurückge-führt werden, da ein CO2-Anstieg zu einem kleineren Zähler und größerem Nenner bei der Berechnung von S führt (siehe Gleichung 2.8).
Abbildung 66: Gemessene (Symbole) und berechnete (Linie) Synthesegas-Komponenten und resultierende stöchiometrische Zahl S der Flammen P25_573_5 und
P29_573_5.
Der Einfluss der Vorwärmtemperatur TV auf S wurde für die Druckstufen p = 1 bara, p = 3 bara und p = 5 bara bei φ = 2,9 betrachtet. Für diese Unter-suchungen wurde TV in 100 K Schritten zwischen 473 K und 773 K variiert.
Synthesegaszusammensetzung Abbildung 67 illustriert die Ergebnisse für einen Betriebsdruck von p = 1 bara
für drei Vorwärmtemperaturen.
Abbildung 67: Einfluss der Vorwärmtemperatur TV auf die Synthesegaszusammensetzung und die resultierende stöchiometrische Zahl S, für Flammen P29_473_1,
P29_673_1 und P29_773_1.
Die mittels GC bestimmt Konzentrationsprofile der Synthesegaskomponen-ten H2 (Quadrat), CO (Dreieck) und CO2 (Kreis) werden im oberen Graphen der Abbildung dargestellt. Der größte Einfluss von TV ist für die H2 -Konzentration zu beobachten. Bei einer Erhöhung von TV um 300 K (von TV = 473 K auf TV = 773 K) verringert sich die H2-Konzentration in der Refor-mierungszone um bis zu 8%. Für CO und CO2 hingegen ist kein Einfluss von
vorgemischten laminaren CH4/O2 – Flammen TV auf den Konzentrationsverlauf zu beobachten. Dies erklärt die Abnahme von S in der Reformierungszone für steigende Vorwärmtemperaturen (Abbildung 67, unterer Graph).