7 Ausblick und Zusammenfassung
Zweiphasenströmung reicht die Genauigkeit der gemessenen Partikelgeschwindigkeiten nicht aus.
AK-LIF Messungen wurden erstmals verwendet, um in einer geschlossenen Brennkammer Regionen mit starker Pyrolyseaktivität zu lokalisieren. Aufgrund der starken Absorption der AKs im UV-Spektrum ist eine Bestimmung der Flammfront mittels SO2-LIF oder OH-LIF an dem verwendeten Brenner bei relevanten Kohlebeladungen vermutlich nicht möglich.
Für Strömungskonfigurationen unterschiedlicher Komplexität wurden umfassende Validationsdaten gewonnen, die durch TDLAS-Messungen von Bürkle [19, 20] ergänzt wurden.
Dadurch liegen zu den einzelnen Betriebspunkten Messdaten zur Strömungsdynamik, Partikeldynamik, der Thermochemie und den Verweilzeiten vor. Die in dieser Arbeit erzielten Daten wurden bereits in den Publikationen [29] und [58] verwendet.
Die charakteristische Strömung wurde anhand der nicht-reagierenden Einphasenströmung bestimmt, ist aber auch in der reagierenden Einphasenströmung und in den Zweiphasenströmungen vorhanden. Die Struktur der Strömung wird also vor allem durch die Aerodynamik bestimmt. Der Primärstrom, der Brennstoff und Oxidator fördert, strömt nach dem Austritt aus der Brennerdüse Richtung Diffusorwand, wo er beginnt sich mit dem verdrallten Sekundärstrom zu vermischen. An der Brennerdüse zwischen Primär- und Sekundärstrom bildet sich eine kleine äußere Rezirkulationszone. Die aus Primär- und Sekundärstrom bestehende Hauptströmung liegt eng an der Diffusorwand an und strömt nach dem Verlassen des Diffusors nach innen. Sie umschließt eine innere Rezirkulationszone, die sich hinter dem zentralen Staukörper an der Brennerdüse ausbildet und bis in die Brennkammer hinein reicht. Mit zunehmender Lauflänge nimmt die Mischung von Primär- und Sekundärstrom in der Hauptströmung zu. Sie sind jedoch vermutlich erst weit in der Brennkammer vollständig gemischt.
Die Gasflamme in der reagierenden Einphasenströmung wird durch die große innere Rezirkulationszone stabilisiert. Zwischen dem Primär- und Sekundärstrom wird nur bei manchen Betriebspunkten eine kleine Gasflamme in der äußeren Rezirkulationszone stabilisiert, die beim Zusammentreffen der beiden Ströme verlöscht. Die Hauptflamme brennt in der Nähe der Brennerdüse als Diffusionsflamme im äußersten Bereich der Rezirkulationszone. Dort kann sie durch die geringen Strömungsgeschwindigkeiten und die hohe Temperatur stabilisiert werden. Weiter stromab verbessert sich die Brennbarkeit in der Hauptströmung durch die Mischung von Primär- und Sekundärstrom. Gleichzeitig wird die Wärme der Rezirkulationszone mit zunehmender Lauflänge weiter in die Hauptströmung getragen. Die Reaktionsbedingungen verbessern sich soweit, dass die Flamme auch in den schnell strömenden Gebieten der Hauptströmung stabilisiert werden kann. Möglicherweise brennt die Flamme dort als partiell vorgemischte Flamme und nicht als Diffusionsflamme.
Die Partikelbewegung und die Schlupfgeschwindigkeit wurden in der nicht-reagierenden Zweiphasenströmung bestimmt. Die Gasströmung wird von der Partikelbewegung kaum beeinflusst.
Die Partikel folgen dem Primärstrom nicht Richtung Wand und dringen schon im oberen Teil des Diffusors in die Rezirkulationszone ein. Die sich abwärts bewegenden Partikel werden in der Rezirkulationszone von der nach oben gerichteten Gasströmung abgebremst. Gleichzeitig werden die Partikel von der Gasströmung langsam nach außen getragen. Je nach Partikelimpuls und
7.1 Zusammenfassung instantanem Strömungsfeld treten die Partikel entweder in der Brennkammer seitlich aus der Rezirkulationszone aus und in die Hauptströmung ein oder sie werden von der Gasströmung vollständig abgebremst, nach oben zurück in den Diffusor getragen und gehen dort von der Rezirkulationszone in die Hauptströmung über. Die Schlupfgeschwindigkeit ist bei der Transition der Partikel vom Primärstrom in die Rezirkulationszone und von der Rezirkulationszone in die Hauptströmung besonders hoch.
Die Strömungsstruktur aus der nicht-reagierenden Einphasenströmung und die Partikelbewegungen aus der nicht-reagierenden Zweiphasenströmung wurden für große Partikel auch in der reagierenden Zweiphasenströmung beobachtet. Die Reaktionsfront konnte nicht mittels SO2-LIF bestimmt werden, da eine zu hohe Konzentration an AKs das Laserlicht im UV-Spektrum absorbiert und breitbandig emittiert. Eine hohe Konzentration an AKs, die auf eine hohe Entgasungsrate hindeutet, wurde vor allem in dem Bereich gefunden, in dem die großen Partikel in die Rezirkulationszone eintreten. Die großen Partikel gasen also in der Rezirkulationszone stark aus und verbleiben im Vergleich zu den kleinen Partikeln, die der Hauptströmung folgen, lange im Brennernahbereich. Der Umsatz der großen Partikel schreitet auf diese Weise in einem kleinen Gebiet weit voran. Da die langsame Reaktion der großen Partikel zu großen Brennkammerabmessungen in der Staubverbrennung führt, ist das Beschleunigen der Reaktion der großen Partikel wichtig. Die Bahnlinien der Partikel sind also bei dem vorliegenden Brenner für einen schnellen Ausbrand vorteilhaft.
Anhand von Parameterstudien in der reagierenden Zweiphasenströmung wurden Unterschiede in der Strömung bei verschiedenen Kohlebeladungen und Kohlesorten untersucht. Eine erhöhte Kohlebeladung führt dazu, dass die thermische Expansion verzögert wird, da die Partikel zunächst als Wärmesenke fungieren, bevor ihr Brennstoff durch Reaktion zu einer Expansion führt. Die Unterschiede der Gasströmung bei den beiden verwendeten Kohlen sind klein. Die RBK reagiert allerdings durch ihren höheren Volatilenanteil etwas schneller als die Steinkohle, was zu einer früheren thermischen Expansion führt.
Die Unterschiede der Verbrennung in Oxyfuel-Atmosphären und Luft sollte über den Vergleich der Ergebnisse bei den unterschiedlichen verwendeten Verbrennungsatmosphären (RAir, R25 und R30; siehe Tabelle 4.2) geschehen. Die verwendeten Atmosphären haben sich dafür jedoch als ungeeignet erwiesen. Durch die gleichen Impulsstromverhältnisse und die gleiche Drallzahl ist die Strömungsstruktur der Betriebspunkte ähnlich, jedoch unterscheiden sich die Atmosphären anderweitig. Da sich zusätzlich zur Zusammensetzung der Atmosphäre die Luftzahl und die Volumenströme ändern, lassen sich unterschiedliche Ergebnisse nur schwer auf grundsätzliche Unterschiede zwischen Luft und Oxyfuel-Atmosphären zurückführen. Um die Unterschiede von Luft- und Oxyfuel-Atmosphären herauszuarbeiten, erscheint es sinnvoll die Verbrennungsatmosphären neu zu definieren.