Flammenanalyse im Modell- und originalmassstab

Verbrennung wird in absehbarer Zukunft weiterhin die wichtigste Methode der Energiewandelung zur Kraft- und Wärmeerzeugung sein. Um den Verbrennungsprozeß ressourcen- und vor allem umwelt- schonend gestalten zu können, sind detaillierte Kenntnisse über die physikalisch - chemischen Zusammenhänge zwischen Strömung, bzw. chemischer Reaktion von Brennstoff und Luft, Wärmefreistzung sowie Schadstoffbildung notwendig. Zur experimentellen Untersuchung reaktiver Strömungen werden Absaugsonden und berührungslose, optische Meßmethoden (LDA, LIF, Raman- und Rayleigh- spektroskopie) eingesetzt. Die theoretische Analyse stützt sich immer mehr auf die Anwendung hochentwickelter, auf Hochleistungs- rechnern implementierter Strömungsprogramme (CFD-Codes).

Mit dem Ziel der Minimierung der NOx-Emissionen wurde für den am Dampferzeuger I der TU München eingesetzten Brenner (9.6 MW, Erdgas, Heizöl, Bild 1) die Flammenstruktur in Abhängigkeit konstruktiver und betrieblicher Feuerungsparameter analysiert. Ein wichtiges Ziel dieser Studien war die Klärung der Zusammenhänge zwischen den Strömungsbedingungen an der Brennermündung und der Schadstoffbildung an einem dem Original ähnlichen Modellbrenner (Bild 2). Diese Ergebnisse wurden u. a. durch optische Meßverfahren (Laserdoppleranemomtrie, Laser Induzierte Fluoreszenz) erzielt und am Original durch Absaumessungen verifiziert. Unter Berück- sichtigung dieser Ergebnisse und durch Einsatz eines kommerziellen CFD-Codes konn-ten weitere Erkenntnisse, insbesondere zur Strömung am Feuerraumaustritt des Dampferzeugers erarbeitet werden (Bild 4).

Als Ergebnis der Untersuchungen wurde eine Brennereinstellung gefunden, die eine Reduzierung des Stickoxidausstosses um ca. 15 % ohne Erhöhung der CO-Bildung erlaubt (Bild 3). Dabei wurde das wärmetechnische Verhalten des Kessels nicht beeinträchtigt. Durch Mehrbrennerbetrieb konnte vor allem im Teillastbereich die Frisch- dampftemperatur um bis zu 30 K angehoben werden.

Bild 1: Originalbrenner im Schnitt

Bild 2:Flammenstruktur am Modellbrenner: Geschwindigkeits- und Mischungsverhältnisse an der Brennermündung, Reaktions- intensität, Flammentemperaturen und NOx -Konzentration

Bild 3: NOx -Emissionen des Originalbrenners