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Fallrohrreaktor

Um den Einfluss von Betriebsbedingungen und Brennstoffeigenschaften auf die Bildung von Schadgasen in technischen Feuerungen zu untersuchen, steht am Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik ein isothermer Fallrohrreaktor zur Verfügung. Die Abbildung zeigt das Verfahrensschaubild der Anlage.


Die Reaktionszone der Stufenbrennkammer besteht aus einem vertikal angeordneten zylindrischen Keramikrohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm und einer Gesamtlänge von 2 m. 56 tangentiale Heizelemente aus Siliziumkarbid garantieren eine einheitliche Temperatur des Reaktionsrohres. Um eine individuelle Wärmezufuhr für jede Zone zu ermöglichen, sind die Heizelemente in sechs unabhängige Reglerzonen aufgeteilt. Die maximale Arbeitstemperatur beträgt 1300 °C. Abhängig vom zugeführten Gasvolumenstrom kann die Verweilzeit der Feststoffpartikel zwischen 1 und 6 s variiert werden. 16 über die Brennkammerhöhe verteilte Messöffnungen ermöglichen die Bestimmung der einzelnen Rauchgaskonzentrationen und der Gastemperatur.


Zusätzlich können Ascheproben entnommen werden, um z. B. Aussagen bezüglich des Ausbrandes zu treffen. Über diese Öffnungen können darüber hinaus Sekundärbrennstoff und -luft sowie Additive zugegeben werden.


Der Brenner besteht aus einem axial angeordneten Rohr mit einem Innendurchmesser von 25 mm, dessen Ende bis zur ersten Messöffnung verschoben werden kann. Die Kohledosierung erfolgt mittels Schneckendosierern bis zu einer Förderleistung von 2 kg/h. Der Kohlenstaub wird von der Schnecke direkt in das Brennerrohr gefördert und mit einem Tragluftstrom der Brennkammer zugeführt. Die Zusammensetzung des Kohle/Luft-Gemisches kann entweder durch die Zugabe eines heißen oder kalten Gases - ähnlich dem Turbinen- oder Rauchgasrezirkulationsabgas - durch zwei Erdgasbrenner oder durch Zugabe von Zusatzgasen variiert werden.


Der Kohlenstaubbrenner liefert eine eindimensionale Pfropfenströmung mit vernachlässigbaren radialen Gradienten, was in früheren Untersuchungen bestätigt wurde. Daher gibt es einen direkten Zusammenhang zwischen Gasverweilzeit und Abstand vom Brenner. Infolge der externen Beheizung kann der Gasvolumenstrom, das Primär-/Sekundärluftgemisch und der Kohlenstaubdurchsatz in einem weiten Bereich variiert werden ohne die lokalen Temperaturen im Reaktionsrohr zu beeinflussen. Die folgenden Betriebsparameter können dabei variiert werden:


  • Wandtemperatur,
  • Gasvolumenstrom (Verweilzeit),
  • Kohlenstaubdurchsatz,
  • Verbrennungsgaszusammensetzung,
  • Primär-/Sekundärluftverhältnis (Luftstufung) und
  • Primär-/Sekundärbrennstoffverhältnis (Brennstoffstufung).

Rauchgasanalytik

Zur Messung der Rauchgaskomponenten kommen zehn verschiedene Prozessgasanalysatoren zum Einsatz, wie sie auch großtechnisch eingesetzt werden. Über pressluftgekühlte Sonden werden die Rauchgasproben isokinetisch aus den Brennkammern abgezogen.


Bei der Stufenbrennkammer wird die verwendete Edelstahlsonde zusätzlich mit einer hochtemperaturfesten Keramikspitze versehen, um eine höhere Lebensdauer zu realisieren. Bei der Wirbelschicht ist die verwendete Sonde aufgrund der hohen Feststoffbeladung im Analysengasstrom mit einem kleinen Zyklon ausgestattet.


Über einen elektrisch beheizten Teflonschlauch gelangt das Abgas in ein beheiztes Grobfilter und anschließend in Teflonfeinstfilter, an denen die im Rauchgas mitgeführten Partikeln zurückgehalten werden. Nach dem Grobfilter wird das Probengas in einen heißen und einen kalten Strang aufgespalten.


Sämtliche Rauchgaskanäle des heißen Strangs sind auf 180 bis 250 °C beheizt und bestehen aus Edelstahl oder Teflon. Diese Maßnahmen sind erforderlich, um den Säuretaupunkt nicht zu unterschreiten. Insbesondere das im Rauchgas vorhandene SO3, das zu etwa 10 % zur Schwefeloxidemission beiträgt, kann eine Erhöhung des Taupunktes auf 160 °C bewirken. Zusätzlich wird durch die hohen Temperaturen eine Adsorption von Gasen - vor allem NH3 und HCN - an metallischen Oberflächen verhindert. In diesem Teil der Rauchgasanalytik werden die Konzentrationen der wasserlöslichen Rauchgaskomponenten (NH3 und CXHY) gemessen. Zur Bestimmung der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentrationen dient ein Flammenionisationsdetektor (FID). Die Messung von Ammoniak erfolgt in einem Mikrowellenprozessanalysator, dem zum Schutz der Messzelle ein Säureabsorber vorgeschaltet ist.


Im kalten, trockenen Strang der Gasanalytik werden nur die nicht wasserlöslichen Komponenten gemessen. Dazu werden die Rauchgase zunächst gekühlt und getrocknet und anschließend zu den Analysatoren geleitet. Im Kühler werden die Rauchgase auf eine konstante Temperatur von 3 °C abgesenkt, um somit einen konstanten Wassergehalt in den Analysatoren zu gewährleisten. Die Analysatoren werden auf 50 °C beheizt, um ein weiteres Auskondensieren von Wasser zu verhindern. Im trockenen Rauchgas werden die Konzentrationen der Gase O2 (paramagnetisches Messprinzip), H2 (Wärmeleitung, WLD), NO und NO2 (Chemilumineszenz) sowie CO, CO2, SO2 und N2O (Infrarotabsorption, IR) gemessen. Die hier zum Einsatz kommenden Infrarotmessgeräte erlauben eine einfache Handhabung, da die Querempfindlichkeiten durch Wasserdampf gering sind. Die verbliebenen minimalen Querempfindlichkeiten lassen sich durch eine Kalibrierung mit Stickstoff und feuchter Luft direkt eliminieren.