hier analysierten Fälle der Einfluss der Partikelform auf die Zündverzugszeiten von der vereinfachten Betrachtung nach Gleichung (1.2) um bis zu 22% abweicht.
Die zu erwartenden Abweichungen gegenüber der vereinfachten Abschätzung der Induktionszeiten auf Basis der spezifischen Partikeloberfläche werden für Braunkohlepartikel in einer heißen Umgebung auf Grundlage des detaillierten Modells dieser Arbeit in dem anschließenden Kapitel diskutiert.
4.3 Vergleichende Darstellung der Zündung verschiedener
In Übereinstimmung zu der Darstellung der Zündung eines Zylinders in kalter Umgebung in Kapitel 4.2.3.2 ist in Abbildung 4.14 der heißeste Ort der Partikeloberfläche während der Aufheizung ebenfalls auf dem Rand der Grundflächen des Zylinders zu finden. In unmittelbarer Nähe dieses Ortes entzünden sich bei 138ms die freigesetzten Flüchtigen entsprechend dem theoretischen Kriterium zur homogenen Zündung nach Kapitel 2.2.5. Das darauf folgende Bild zeigt die ungefähre Entwicklung der Flamme zum Zeitpunkt 148ms. Für die übrigen untersuchten Zylinder erfolgte die Bestimmung der homogenen Zündverzugszeit auf gleiche Weise.
Die heterogene Zündung wurde analog zu Kapitel 4.2.3.2 für alle untersuchten Partikel jeweils auf dem Rand der Grundflächen des Zylinders detektiert.
Bezugspunkt des folgenden in Abbildung 4.15 gezeigten Vergleichs der Zündverzugszeiten ist die Kugel mit Durchmesser 1mm. Im Vergleich zu den berechneten Zündverzugszeiten eines gleich großen Steinkohlepartikels nach Kapitel 4.1.2 wurde für die hier untersuchte Kugel sowohl eine kürzere homogene Zündverzugszeit von tkugelhom =176ms als auch eine kürzere heterogene Zündverzugszeit von tkugelhet =113ms bestimmt, welche jeweils auf die
128 ms 133 ms
thom = 138 ms 148 ms
Abbildung 4.14: Berechnete Temperatur-Konturgraphen in [K] für einen Zylinder mit Länge/Durchmesser-Verhältnis a/b=2 in einer Umgebung bei 1500K zu den Zeitpunkten 128ms, 133ms, 138ms (homogene Zündung) und 148ms.
gegenüber Steinkohle höhere Reaktivität der hier untersuchten Braunkohle zurückzuführen ist.
In Abbildung 4.15 kennzeichnen die Länge/Durchmesser-Verhältnisse a/b = 4 bis 1/4 technisch vermutlich relevante Partikelgeometrien. In dieser Klasse zeigen Zylinder mit a/b = 4 Abweichungen von etwa 24% für die homogene Zündung und ungefähr 28% für die heterogene Zündung bezogen auf die jeweiligen Zeiten der Kugel gleicher spezifischer Oberfläche. Offensichtlich nehmen diese Abweichungen mit steigendem Längen/Durchmesser-Verhältnis monoton zu. Auf der anderen Seite nehmen die Zündverzugszeiten gegenüber dem Fall a/b = 4 mit kleiner werdenden Verhältnissen a/b zunächst zu und können sogar diejenigen der Kugel übertreffen. Bei einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von 1/32 für die homogene Zündung und 1/64 für die heterogene Zündung erreichen die Zündverzugszeiten jeweils ein Maximum. Bei weiter abnehmendem Länge/Durchmesser -Verhältnis nehmen die Zündverzugszeiten aufgrund der gegenseitigen Aufheizung der nahe zusammen liegenden Seiten der Scheibe monoton ab.
Insgesamt widerlegen die in Abbildung 4.15 gezeigten Simulationen die Hypothese nach dem vereinfachten Ansatz in Kapitel 1.1 (Gleichung (1.2)), wonach die Zündverzugszeiten verschieden geformter Partikel mit ihrer spezifischen Partikeloberfläche skalieren. Nach den hier durchgeführten Berechnungen scheinen für den untersuchten Fall Abweichungen zu den
0.7 0.8 0.9 1.0
4 2
1 1/2
1/4 1/8
1/16 1/32
1/64 1/128
1/256
Abbildung 4.15: Vergleich der Zündverzugszeiten von Zylindern gleicher spezifischer Oberfläche mit verschiedenem Länge/Durchmesser-Verhältnis a/b. Die Zündverzugszeiten sind jeweils relativ zu denjenigen einer Kugel mit gleicher spezifischer Oberfläche von 6mm-1 angegeben (tkugelhom =176ms und
ms 113 tkugelhet = ).
a / b
kugel hom hom/t t
kugel het het/t t
tatsächlichen Zündverzugszeiten von bis zu 30% realistisch, wenn ein auf die spezifische Partikeloberfläche bezogener Formfaktor verwendet wird.
Die weitergehende Anwendung des hier entwickelten Modells ist insbesondere an die genaue Charakterisierung des zu untersuchenden Brennstoffes hinsichtlich der Partikelgestalt gebunden. Vor der Simulation des formabhängigen Zündprozesses von Kohlenstaubpartikeln ist zunächst experimentell zu überprüfen, ob Partikel im Mikrometerbereich mit verschiedener Form im statistischen Mittel die gleiche Zusammensetzung aufweisen (Voraussetzung des Modells dieser Arbeit nach Kapitel 2.2.1 Punkt 2). Die Partikelform könnte für sehr kleine Partikel mit der Maceralstruktur (siehe Fußnote 3 in Kapitel 1) korreliert sein, da diese eine ähnliche Größenordnung aufweist. In diesem Fall wären abhängig von der Partikelgestalt verschiedene ggf. nicht isotrope Materialeigenschaften in dem Modell dieser Arbeit zu berücksichtigen.
Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Anwendbarkeit der entwickelten Theorie prinzipiell zunächst auf nicht-erweichende Kohlen, wie z.B. Braunkohle, beschränkt ist (siehe Kapitel 2.2.1 Punkt 1).
5 Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
In vorliegender Arbeit wurden zur Charakterisierung des Zündprozesses von Kohle Berechnungen und Messungen an einzelnen Kohlepartikeln und ähnlichen Brennstoffen, wie extrudierte Aktivkohle und Presslinge aus Akivkohlepulver und Pentacontan, durchgeführt.
Das Augenmerk der Analysen lag dabei auf dem prinzipiellen Effekt der Partikelgröße und Form. Standardmäßig wird die Gestalt der Partikel durch einen Formfaktor berücksichtigt, welcher die tatsächliche externe Partikeloberfläche ins Verhältnis setzt zu der äußeren Oberfläche einer äquivalenten Kugel gleichen Volumens. Insbesondere sollten nach diesem vereinfachten Ansatz Partikel gleicher spezifischer Oberfläche zu identischen Zündverzugszeiten führen.
Basierend auf dem von Du und Annamalai veröffentlichten, eindimensionalen Modell (DA-Modell) zur Zündung von als isotherm angenommenen Kohlepartikeln, wurde im Rahmen der hier präsentierten Arbeit ein erweitertes, zweidimensionales Modell entwickelt, welches den intrapartikulären Stoff- und Wärmetransport berücksichtigt. Das vorliegende Rechenmodell ist zudem in der Lage, eine axialsymmetrische Anströmung und eine einseitige Aufheizung z.B. mittels Laser zu berechnen. Wesentliche Änderungen zum DA-Modell betreffen die Simulation der Strömung durch die Poren sowie die Verkokung der Randschicht während der Aufheizung. Hierbei wurde offensichtlich, dass das gemeinhin verwendete Biegungs-punktkriterium zur Bestimmung der heterogenen Zündung aufgrund des thermo-physikalischen Einflusses der Verkokung u.U. nicht anwendbar ist, wenn die Pyrolyse gegenüber den exothermen Reaktionen dominiert. Für die hier untersuchten Kohlen konnte nachgewiesen werden, dass das Biegungspunktkriterium zur Identifikation der heterogenen Zündung genutzt werden kann. Die hier aufgeworfene Problematik besteht jedoch im erhöhten Maße für verkokende Brennstoffe mit hoher Pyrolyserate wie z.B. Biomasse oder Polymere, welche prinzipiell mit vorliegendem Modell ebenfalls behandelt werden können.
Der Vergleich mit den von Du und Annamalai veröffentlichten Zündverzugszeiten für sphärische Partikel mit Durchmesser zwischen 50 und 1000µm ergab eine gute Übereinstimmung mit den hier durchgeführten Simulationen hinsichtlich der absoluten Zeiten für die heterogene Zündung von Partikeln kleiner als 300µm und für die homogene Zündung von Partikeln mit einem Durchmesser von 300µm und größer. Dabei zeigen die homogenen und heterogenen Zündverzugszeiten jeweils eine lineare Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser, wie sie von der vereinfachten Abschätzung auf Grundlage der spezifischen Partikeloberfläche vorhergesagt wird. Im Gegensatz zu dem DA-Modell,
welches einen Übergang von primär homogener Zündung zu primär heterogener Zündung bei einem Partikeldurchmesser zwischen 200 und 300µm vorhersagt, zeigt das vorliegende Modell über den ganzen Größenbereich eine primär heterogene Zündung. Diese Abweichung kann auf die im DA-Modell zu Grunde gelegte Annahme eines isothermen Partikels zurückgeführt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Experimente zum einen mit einem hier entwickelten Aufbau zur Laseraufheizung und zum anderen mit einem bestehenden Messapparat zur Lampenaufheizung durchgeführt.
Zur Diagnostik stehen beim Experiment zur Laseraufheizung ein digitales Video-System zur Beobachtung im sichtbaren Spektralbereich und ein Thermographie-System zur Beobachtung im mittleren Infrarotbereich zur Verfügung. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Thermographie-Verfahren stellt eine Erweiterung zur null-dimensionalen Temperaturmessung mittels Zwei-Wellenlängen Pyrometrie da und ermöglicht die zweidimensionale Messung der Temperatur der Partikeloberfläche während dessen Aufheizung bei moderaten Temperaturen bis etwa 1000K. Hierzu wurde eine doppelt abbildende Optik aufgebaut, welche das Objekt gleichzeitig nebeneinander mit zwei unterschiedlichen spektralen Filterungen auf den Detektor der Thermographie-Kamera abbildet. Die digitale Auswertung der Bilddaten lässt sich mit dem hier beschriebenen Kalibrierungs- und Auswerteverfahren auf die Planck’sche Strahlungsformel zurückführen.
Die Experimente zur einseitigen Laseraufheizung von extrudierter Aktivkohle konnten näherungsweise mit einer vereinfachten Theorie nachgebildet werden. Die Messungen zeigten dabei aufgrund der Inhomogenität der Proben große Abweichungen bei wiederholten Experimenten. Als weiterer Modellbrennstoff für Kohle wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren zur Herstellung von Presslingen aus Aktivkohlepulver und Pentacontan entwickelt.
Experimente an diesem Brennstoff zeigen reproduzierbare homogene Zündverzugszeiten, welche eine vernünftige Übereinstimmung mit dem Modell dieser Arbeit aufweisen.
Abweichungen zwischen Theorie und Experiment bzgl. der Aufheizraten können auf das Schmelzen des als Bindemittels benutzten Pentacontans zurückgeführt werden. Erste Abwürfe am Fallturm des ZARM in Bremen zeigen die Vorteile der µg-Umgebung auf: ohne Auftriebsströmung verringern sich die statistischen Abweichungen in den Experimenten und die bei Bodenexperimenten zusätzlich auftretenden Unsicherheiten hinsichtlich der Modellierung der Auftriebströmung können ausgeschlossen werden.
Das Experiment zur Lampenaufheizung ist ein bereits erprobtes System, welches während einer Messkampagne am Fallturm des AIST Hokkaido in Sapporo zur Untersuchung der Zündung von Braunkohlepartikeln verschiedener Grundform unter stark reduzierter Schwerkraft genutzt werden konnte. Mittels Bildverarbeitung der Videodaten konnten die Verzüge der homogenen Zündung bestimmt und eine Formabhängigkeit des Zündprozesses nachgewiesen werden. Im Rahmen der Messfehler zeigen die homogenen Zündverzugszeiten, welche mit dem detaillierten Modell dieser Arbeit berechnet wurden, gute Übereinstimmung mit den Experimenten.
Das anhand von veröffentlichten Daten und eigenen Experimenten validierte Modell dieser Arbeit wurde abschließend zur Vorhersage des Zündprozesses von Zylindern gleicher spezifischer Oberfläche jedoch verschiedenen Länge/Durchmesser-Verhältnissen genutzt. Es ergeben sich hierbei abhängig von der Form deutlich verschiedene Zündverzugszeiten gegenüber einer Kugel gleicher spezifischer Oberfläche mit einem Durchmesser von einem Millimeter. Für Braunkohle in Millimetergröße in heißer Umgebung erscheinen hiernach Abweichungen von bis zu 30% gegenüber den tatsächlichen Induktionszeiten realistisch, wenn nach dem vereinfachten Ansatz die Partikelgestalt durch einen auf die spezifische Oberfläche bezogenen Formfaktor berücksichtigt wird.
Ausblick
In Hinblick auf die technische Anwendung in Kohlestaubfeuerungen muss zunächst eine Materialanalyse der zu untersuchenden Kohlestäube bzgl. der vorherrschenden Größen- und Formklassen durchgeführt werden. Die daraufhin mit dem Modell dieser Arbeit berechneten Zündverzüge der relevanten Partikelgestalten können u.a. in der Auslegung der Feuerung Berücksichtigung finden.
Hinsichtlich der Validierung und Erweiterung des hier entwickelten Modells zur Kohlepartikelzündung ist zunächst eine Weiterentwicklung des Modellbrennstoffes für Kohle sinnvoll. Dieser sollte zum einen eine kontrollierbare Zusammensetzung aufweisen und zum anderen eine mit Kohle vergleichbare Struktur und Härte besitzen. Auf der Grundlage von detaillierten Messungen an diesem Modellbrennstoff könnte das vorliegende Modell weitergehend überprüft und ggf. ausgebaut werden. Ergänzende Untersuchungen zum Zündprozess bei einer Partikelanströmung oder hinsichtlich interpartikulärer Wechselwirkungen sind durch Änderung der zu analysierenden Geometrien und Randbedingungen mit dem Modell dieser Arbeit möglich.
Darüber hinaus ist die Anwendung der hier entwickelten Techniken auf artverwandte Themengebiete denkbar. Dabei ist die Adaption des vorliegenden Modells zur Vorhersage der Zündung von ähnlichen Brennstoffen, die ebenfalls verkoken, besonders einfach. Ebenso ist das hier entwickelte Experiment zur Laseraufheizung auf eine Vielzahl von Festbrennstoffen anwendbar. Zudem konnten mit einer Abwandlung des in dieser Arbeit entwickelten IR-Diagnoseverfahrens Konzentrationsmessungen an gasförmigen Brennstoffen durchgeführt werden [M02]. Dabei wurde das Messvolumen um einen abdampfenden Brennstofftropfen mit einer breitbandigen IR-Lampe durchstrahlt und das Signal mittels des hier entwickelten doppelt abbildenden IR-Kamerasystems gleichzeitig einmal bei einer fundamentalen, infraroten Absorptionsbande und einmal außerhalb der Absorption detektiert.
Anhang
A Abschätzung von Aufheizprozessen
Unter vereinfachenden Annahmen, insbesondere durch Reduktion des Problems auf eine Dimension, ist es möglich, sowohl für die Aufheizung des Gases in den Poren als auch für die Partikelaufheizung bei Lasereinstrahlung eine geschlossene Lösung der Wärmeleitungs-gleichung anzugeben, wie im Folgenden ausgeführt. Die entsprechenden Funktionen beschreiben näherungsweise die zeitliche und örtliche Entwicklung des Temperaturfeldes und können damit der Abschätzung des jeweiligen Problems dienen.