Einzelpartikelreaktor
Zündung und Ausbrand von Partikeln sind durch die Umsetzung von Sauerstoff gekennzeichnet. Dies stellt die Grundlage für die Messmethodik der Versuchsanlage dar. Im Vorfeld der Brennstoffzugabe wird eine definierte Sauerstoffkonzentration des Heißgases eingestellt. Mit Beendigung des Ausbrands nimmt die Sauerstoffkonzentration das aufgeprägte Anfangsniveau an. Um gleichzeitig hohe Messfrequenzen und eine hohe Messgenauigkeit der Sauerstoffkonzentration zu gewährleisten, wird diese mit einem in-situ-Laser quantitativ bestimmt. Die Messung der Sauerstoffkonzentration erfolgt mit einer Rate von 1 Hz. Diese Messfrequenz und -genauigkeit sind mit einer konventionellen Gasanalytik oder Lambdasonden nicht möglich.
Um die Untersuchung unterschiedlicher verbrennungstechnischer Brennstoffqualitäten und Partikelgrößen zu ermöglichen, ist das Messsystem weitgehend modular aufgebaut. Die Abbildung zeigt das Verfahrensbild der Versuchsanlage.
Aufbau der Anlage
Der Reaktor besteht aus zwei Segmenten aus feuerfestem Material. Die obere Einsatztemperatur dieses Materials beträgt 1800 °C. In die zwei Segmente sind Kanäle für das Heißgas, einen optischen Zugang, Thermoelemente, ein Bypasssystem und die Einbringung des Brennstoffs vorgesehen. Die zwei Segmente werden von einem Stahlrahmen umgeben. Der Stahlrahmen ermöglicht die Befestigung des Heißgaserzeugers, der wassergekühlten Schauglasfassungen der optischen Zugänge und einer Schnellladevorrichtung zur Einbringung des Brennstoffs.
Als Heißgaserzeuger dient eine am Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik entwickelte Plasmadüse. In der Düse werden die Plasmagase Argon und Helium durch einen elektrischen Lichtbogen aufgeheizt. Auch die Zumischung weiterer Gase wie vorgeheizter Sauerstoff und Kohlendioxid sowie die direkte Zugabe von Stickstoff über die Plasmadüse sind erfolgreich erprobt worden. Mit dem Düsenkonzept sind somit sowohl Untersuchungen unter Pyrolysebedingungen als auch Experimente unter dem Einfluss von vorgegebenen Sauerstoffkonzentrationen des Heißgases möglich und es können in der Partikelkammer Temperaturen von 1300°C erreicht werden.
Die Volumenströme der Plasmagase Helium und Argon sowie des im Anschluss an die Düse zugeführten Sauerstoffs werden über Massendurchflussmesser eingestellt. Um eine definierte Einbringung des Brennstoffs in den Heißgasstrom zu erreichen, ist für dessen Zuführung in die Partikelkammer eine Schnellladevorrichtung entwickelt worden. Die aktuelle Ausführung der Ladevorrichtung und des Kanalquerschnitts im Bereich der Partikelkammer ermöglichen eine Zufuhr von Partikelgrößen bis zu einem Kantenmaß von 25 mm. Die Erfassung des Zeitpunkts des Eintritts in die Partikelkammer erfolgt durch ein in die Ladevorrichtung integriertes Thermoelement.
Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem ruhenden Partikel und dem umgebenden Heißgas kann unabhängig von der Heißgaszusammensetzung sowohl über die Versorgung der Düse mit Plasmagasen als auch über ein zwischen der Düse und der Partikelkammer integriertes Bypasssystem eingestellt werden.
Im Anschluss an die Reaktionskammer befindet sich eine Rohrleitung, die den Reaktor mit einer Gasmesszelle verbindet. Die Gasmesszelle wird auf eine Temperatur von mindestens 185 °C beheizt. Die Temperaturen im Bereich der Zuleitung und der Gasmesszelle werden im Versuchsbetrieb durch vier Thermoelemente sowie einen Temperaturfühler des Heizsystems kontinuierlich gemessen.
Das Sauerstoffprofil sowie die Temperaturmessstellen der Versuchsanlage werden online erfasst und ermöglichen eine Charakterisierung des zeitlichen Verlaufs der Brennstoffumwandlung. Korrespondierend zur Frequenz der Sauerstoffmessung beträgt die Frequenz der Temperaturerfassung aller Messstellen 1 Hz. Mit Hilfe eines FTIR-Spektrometers können zusätzlich die Spezies CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, NH3 and HCN bestimmt werden. Ein Faserspektrometer erlaubt die Messung der Freisatzung von Alkalien.
Charakteristischer Verlauf der Sauerstoffkonzentration bei der thermochemischen Umwandlung von Holz (linkes Bild) und Polyethylen (rechtes Bild)