Rußnukleation in Hochdruckflammen mit geringer Rußbildung: Experiment und Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Dreier
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439059510

Verbrennungsprozesse sind bei weitem immer noch die Hauptquelle für die Stromerzeugung und behalten daher – insbesondere im Transportsektor – langfristig praktische Bedeutung. Allerdings ist auch bekannt, dass bei den damit verbundenen chemischen Konversionsprozessen kohlenstoffhaltige Partikel entstehen, die sich negativ auf das Klima und die Gesundheit auswirken, insbesondere bei kleinen Partikelgrößenklassen. Daher ist ein besseres Verständnis und eine zuverlässige prädiktive Modellierung der Rußbildung – insbesondere für die bei der motorischen Verbrennung relevanten Druckbereiche – von hohem Interesse. Insbesondere die Prozesse, die die Anfangsschritte der Keimbildung bestimmen, sowie das Gleichgewicht zwischen Bildung und Oxidation der Partikel, die in Flammen unter Bedingungen nahe des Brennstoff / Luft-Verhältnisses zur Rußbildung arbeiten, sind wenig bekannt, weshalb immer noch Kontroversen über diese Initiierungsmechanismen bestehen. Existierende kinetische Modelle für die Keimbildung und das Rußwachstum, die auf Hypothesen über PAH-PAH-, Radikal-Radikal- und Radikal-PAH-Wechselwirkungen basieren sind bisher experimentell nicht verifiziert.Ziel dieses Antrages ist es, das Verständnis der Rußbildung in Flammen bei erhöhtem Druck (2–20 bar) zu vertiefen, indem die Modellentwicklung mit einer erweiterten experimentellen Datenbank ortsaufgelöster Messungen von Temperatur, Spezieskonzentrationen sowie der mittleren Rußpartikelgröße und des Volumenanteils unterstützt wird. Dies wird durch optische in-situ-Diagnostik und thermophoretischer Rußprobenahme in bisher noch nicht untersuchten vorgemischten Methan / und Ethen / Luft Hochdruckflammen (1 – 20 bar) unter Bedingungen mit geringer Rußbildung erreicht. Um die chemischen Wege zur Rußbildung zu modifizieren, werden Ruß-fördernde bzw. -unterdrückende Spezies (Ethin bzw. Wasserstoff) dem Frischgasstrom zugesetzt.Die Messungen werden in Hochdruckbrennern durchgeführt, die vorgemischte flache Flammen unterstützen und optischen Zugang erlauben. Zur Bestimmung des Rußvolumenanteils, der mittleren Partikelgröße, der Gastemperatur und der Konzentrationen von Kohlenmonoxid und Wasser werden die zeitaufgelöste laserinduzierte Inkandeszenz (LII), Extinktion, abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie im nahen und mittleren Infrarot sowie Rußpyrometrie eingesetzt. Um den untersuchten Druckbereich sowie die Speziesmessungen zu erweitern ist eine enge internationale Zusammenarbeit mit zwei experimentellen Gruppen der Universität Lille (Frankreich, Messungen in unteratmosphärischen Flammen, Betrieb der Hochdruck-Nukleationsflammen, kinetische Modellierung der Rußbildung) und der Texas A & M University (USA, räumlich aufgelöste Temperatur- und Konzentrationsprofile von CO, H- und O-Atomen aus einem identischen Brenner) geplant. Die wachsende Datenbank wird darüber hinaus die Grundlage für die chemische Modellierung mit Partnern der Universität Mailand (Italien) bilden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Torsten Endres; Dr. Mustapha Fikri