Bestimmung der Koksabbrandkinetik torrefizierter Biomasse mit Hilfe bildgebender Zweifarbenpyrometrie: Statistisch verteilte Abbrandraten asphärischer Partikel
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das vorliegende Projekt liefert Beiträge zu verschiedenen Fragestellungen bezogen auf den Koksabbrand von biogenen Brennstoffen, die hier auf Nussschalen, grasartiges Halmgut (Miscanthus) und Holz (Tanne und Buche) eingegrenzt wurden. Um Probenmaterial mit unterschiedlichem Torrefizierungsgrad zu erzeugen, wurden Biomasseproben in einem Laborofen mit variierender Prozesstemperatur und Verweilzeit torrefiziert, aufgemahlen, in definierte Partikelgrößen fraktioniert und in Laboranalysen charakterisiert. Verbrennungsexperimente wurden in einem laminarem Flugstromreaktor in sauerstoffreichen Atmosphären durchgeführt, um Transportlimitierungen beim Koksabbrand weitestgehend auszuschließen, und anhand bildgebender Zweifarben-Pyrometrie und der Analyse von Feststoffproben bewertet. Die bildgebende Zweifarben-Pyrometrie lieferte Temperatur, Dimension und Geschwindigkeit einzelner Partikel. Ebenso konnten mikroskopische Techniken angewandt werden, um Länge und Durchmesser von aus der Reaktionszone entnommenen Partikeln zu bestimmen. Beide Techniken wurden statistisch miteinander verglichen. Ergebnis dieser Untersuchung ist, dass das Länge/Durchmesserverhältnis von torrefizierten Tannenholzpartikeln höher ist als das von Buchen- und Miscanthuspartikeln, die wiederum Nussschalen und Kohlepartikel übertreffen. Die Länge der Partikelsträhne, die eine Auskunft über die Abbranddauer gibt, variierte in Abhängigkeit vom Brennstoff, Torrefizierungsgrad und Atmosphäre. Neben der zu erwartenden Abhängigkeit der Abbranddauer von der Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsatmosphäre konnte gezeigt werden, dass ein zunehmender Torrefizierungsgrad eine Verlangsamung des Abbrandes bewirkt. Die Unterschiede in der Partikeltemperatur waren gering aber messbar, ein höherer Torrefizierungsgrad führte tendenziell zu einer niedrigeren Partikeltemperatur. Die Bestimmung der Kinetik brennender Partikel basiert auf der Lösung der Energiebilanzgleichung, die an der Partikeloberfläche geschlossen wird. Nachdem diese Technik für kugelförmige Partikel etabliert ist, wurde nun eine Erweiterung auf nicht-sphärische Partikel durchgeführt. Die Form von holz- und halmgutartigen Biomassen erscheint, auch in torrefizierter Form, länglich oder spanartig. Als Näherung wurden daher, wie auch in der Literatur, gestreckt-rotationselliptische oder zylindrische Darstellungen der Partikelform gewählt. Unter Berücksichtigung des Stefan-Stroms wurde die Methode zur Bestimmung von apparenten Kinetikparametern auf diese Partikelformen erweitert. Eine theoretische Betrachtung ergab, dass die Annahme prolater Ellipsoide als Partikelform für kleine Länge/Durchmesser-Verhältnisse eine Übereinstimmung mit der Kugelgeometrie ergibt, wohingegen die Annahme zylindrischer Partikel trotz gleicher Dimension aufgrund der Partikelgeometrie Unterschiede in der Energiebilanz um ein Partikel hervorruft. Der Einfluss der Partikelform ist am deutlichsten für Partikel mit großem 𝐿/𝑑-Verhältnis. Im typischen, hier experimentell ermittelten Bereich ist der Einfluss der Partikelform am signifikantesten für den Energiefluss, der durch Temperaturänderung des inerten, noch nicht reagierenden Partikels entsteht, wenn oberflächengleiche Partikel betrachtet werden. Daher kann empfohlen werden, spanartige Biomasseproben dreidimensional auf die Partikeldimension zu analysieren und einen oberflächengleichen Äquivalentdurchmesser für weitere Schritte zu verwenden. Die abgeleitete Analysetechnik wurde auf die Messergebnisse des bildgebenden Zweifarben- Pyrometers angewendet. Als Ergebnis konnten Kinetikparameter für nicht-sphärische Partikel, deren Form simultan mit der Temperatur bestimmt wurde, berechnet werden. Die Partikel-Partikel-Variabilität der bestimmten Kinetikparameter ist dabei in etwa von der gleichen Größenordnung für alle Partikel. Die Reaktivität der einzelnen Proben war dabei unterschiedlich. Die Reaktivität, gemessen an der Abbrandrate bezogen auf die Partikeloberfläche, wurde aufsteigend in folgender Reihenfolge bestimmt: Steinkohle/Miscanthus/Buche - Walnussschalen - Tanne - Braunkohle, wobei nur torrefizierte Proben der Biomassen berücksichtigt wurden. Weiterhin konnte ein Einfluss der Torrefizierungsbedingungen auf die Reaktivität torrefizierter Biomassen nachgewiesen werden. Je höher der Torrefizierungsgrad, dargestellt durch Temperatur und Verweildauer im Torrefizierungsreaktor, desto geringer fällt die Reaktivität des nach der Pyrolyse zurückbleibenden Kokses aus. Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass sowohl ein Einfluss der Torrefizierung auf den nachfolgenden Koksabbrand als auch der Partikelform auf die experimentell bestimmt Abbrandrate nachweisbar sind. Nachfolgende Schritte können die Ableitung eines Modells zur numerischen Simulation asphärischer Biomassepartikel, die Untersuchung veränderter Atmosphären, z.B. CO2-reicher Atmosphären (Oxyfuel) oder der Einfluss von Partikelfragmentierung sein. In einem bereits begonnenen Folgeprojekt wird der Einfluss der Umgebungsbedingungen während der Zündphase auf die Reaktivität der dabei erzeugten Kokse untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Char burning kinetics from imaging pyrometry: Particle shape effects, Fuel 134 (2014), 53-62
Schiemann, Martin, Haarmann, Sven, Vorobiev, Nikita
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Determination of char combustion kinetics parameters: Comparison of point detector and imaging-based particle-sizing pyrometry, Rev. Sci. Instr. 85 (2014), 075114-01-11
Schiemann, Martin, Geier, Manfred, Shaddix, Christopher R., Vorobiev, Nikita, Scherer, Viktor
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A Stereoscopic Pyrometer for Char Combustion Characterization, Applied Optics 54 (2015), 1097-1108
Schiemann, Martin, Vorobiev, Nikita, Scherer, Viktor
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Determination of Char Combustion Kinetics of Torrefied Biomass by Use of Stereoscopic Pyrometry, The 40th International Technical Conference on Clean Coal & Fuel Systems, 2015
Vorobiev, Nikita, Schiemann, Martin
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Stereoscopic Camera-Based Investigation of Pulverized Solid Fuel Combustion - particle temperature, shape and burning rates, European Combustion Meeting 2015
Schiemann, Martin, Vorobiev, Nikita
