Technische Verbrennung

Transkript

1 Technische Verbrennung Verbrennungstechnik, Verbrennungsmodellierung, Emissionen Bearbeitet von Franz Joos 1. Auflage Buch. xxvii, 907 S. Hardcover ISBN Format (B x L): 15,5 x 23,5 cm Gewicht: 1543 g Weitere Fachgebiete > Technik > Energietechnik, Elektrotechnik Zu Leseprobe schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Energiewirtschaft Primärenergie Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie Verbrennung Flammen...11 Literatur Brennstoffe Einfache Kohlenwasserstoffe als Brennstoffe Feste fossile Brennstoffe Flüssige fossile Brennstoffe Gasförmige fossile Brennstoffe Regenerative Brennstoffe Brennstoffe für Gasturbinen Kraftstoffe der Verbrennungsmotoren Brennstoffe mit zugesetztem Oxidator Treibstoffe Sprengstoffe...46 Literatur Grundlagen Grundlagen der Thermodynamik Die Hauptsätze der Thermodynamik Die Standard-Bildungsenthalpien Thermodynamische Funktionen, Gleichgewichtskriterien, Chemisches Potential Die Bestimmung der adiabaten Flammentemperatur, der Heizwert...78 Literatur...84

3 VIII Inhaltsverzeichnis 4. Verbrennungsrechnung Die Verbrennungsrechnung für feste und flüssige Brennstoffe Erforderlicher Sauerstoff- und Luftbedarf Abgasmenge und -zusammensetzung Die Verbrennungsrechnung für gasförmige Brennstoffe Literatur Chemische Reaktionskinetik Die Beschreibung homogener chemischer Reaktionen Die Reaktionsgeschwindigkeit Gleichgewichtsreaktionen Elementarreaktionen Radikalkettenreaktionen Temperaturabhängigkeit des Geschwindigkeitskoeffizienten Druckabhängigkeit des Geschwindigkeitskoeffizienten Die Beschreibung heterogener Reaktionssysteme Heterogen katalysierte Reaktionen Adsorption Umsatzgeschwindigkeit katalysierter Reaktionen Filmdiffusion und Reaktion Porendiffusion und Reaktion Literatur Reaktionsmechanismen Detaillierte Chemie Methoden der Vereinfachung von Reaktionsmechanismen Einfache Reaktionsfolge mit analytischer Lösung Quasistationarität Empfindlichkeitsanalyse (Sensitivitätsanalyse) Eigenwertanalyse von chemischen Reaktionsmechanismen Partielle Gleichgewichte Reaktionsflussanalyse Numerische Verfahren zur Reduktion der Rechenzeit von Reaktionsmechanismen Das Reduktionsverfahren der intrinsischen niedrigdimensionalen Mannigfaltigkeit (ILDM) Flamelet Generated Manifolds (FGM) Automatisierte Reduktionsmethoden (CARM) Adaptive Tabellenerstellung (ISAT) Reduktion von Reaktionsmechanismen mittels genetischer Algorithmen...188

4 Inhaltsverzeichnis IX Reduktion des Rechenaufwandes mittels neuronaler Netze Literatur Flammenstabilisierung Physik der Flammenstabilisierung Stabilisierung selbstzündender Flammen Flammeninstabilität in der Nähe der Zünd- und Löschgrenzen Löschabstand Literatur Zündprozesse Physikalische Grundphänomene der Zündung Zündgrenzen, Zündtemperatur Mindestzündenergie Modellvorstellungen von Zündprozessen Vereinfachte thermische Theorie der Zündung von Semenov Thermische Theorie der Zündung von Frank-Kamenetskii Zündverhalten des H 2 /O 2 -Systems Selbstzündvorgänge von Kohlenwasserstoff-Luftgemischen Messmethode der Selbstzündung Methan/Luftgemische Gemische gasförmiger höherer Kohlenwasserstoffe Gemische flüssiger höherer Kohlenwasserstoffe Zündung von festen Brennstoffen Phänomenologische Betrachtung der Feststoffzündung Experimentelle Untersuchungen Modellierung des Zündprozesses von Kohlepartikel Selbstzündeffekte bei festen Brennstoffen Detonationen Literatur Laminare Vormischflammen Flammengeschwindigkeit Messverfahren der Flammengeschwindigkeit Rohrreaktor Rührkessel Messwerte der Flammengeschwindigkeit Theoretische Beschreibung der laminaren Flammengeschwindigkeit Vereinfachte thermische Theorie der Flammenausbreitung...294

5 X Inhaltsverzeichnis Numerische Modellierung der Flammengeschwindigkeit Laminare Flammenstrukturen Literatur Laminare nicht-vorgemischte Flammen Erscheinungsformen nicht-vorgemischter Flammen Abschätzung der Flammenlänge Modellierung nicht-vorgemischter Gegenstromflammen Mischungsbruchbeschreibung nicht-vorgemischter Flammen mit schneller Chemie Literatur Turbulente reaktive Strömungen Grunderscheinungen turbulenter nichtreaktiver und reaktiver Strömungen Turbulente Skalen Erscheinungsformen turbulenter Flammen Die turbulente Flammengeschwindigkeit Experimentelle Bestimmung turbulenter Flammengeschwindigkeiten Mathematische Beschreibung turbulenter reaktiver Strömungen Die Erhaltungsgleichungen, die Navier-Stokes schen- Gleichungen Direkte Numerische Simulation (DNS) Large-Eddy -Simulation (LES) Zeitliche- bzw. Favre-Mittelungsverfahren Gemittelte Erhaltungsgleichungen (RANS, TRANS, URANS) Turbulenzmodelle Problematik der Mittelung von Reaktionsgeschwindigkeiten in turbulenten Strömungen (U)RANS mit statistischer Beschreibung (PDF) der Turbulenz-Chemie-Interaktion zur Schließung des Quellterms Literatur Schließungsmodelle turbulenter nicht-vorgemischter Flammen Das Eddy-Dissipations-Modell (EDM) Das linearisierte Finite-Rate-Chemistry-Modell (FRCM)...377

6 Inhaltsverzeichnis XI 12.3 Angenommene Wahrscheinlichkeitsdichtemodelle (Presumed-PDF) Das Mischungsbruchmodell mit Presumed-PDF Das Flamelet-Modell Das Flamelet-Modell mit Presumed-PDF Das PDF-Transportgleichungsmodell Einleitung Statistische Beschreibung des thermochemischen Zustandes Herleitung der PDF-Transportgleichung Mischungsmodellierung Monte-Carlo-Lösungsverfahren Kopplung mit CFD-Programmen Das Conditional Moment Closure Modell Das Flame Surface Density Modell Modellvergleich mit experimentellen Daten Beschreibung der Sandia-Flamme Ergebnisse Überblick über die vorgestellten Modelle Literatur Schließungsmodelle turbulenter Vormischflammen Charakterisierung turbulenter vorgemischter Flammen Modelle turbulenter Vormischflammen Definition der Reaktionsfortschrittsvariablen Auf der skalaren Dissipationsrate basierende Modelle Auf der Flammentopologie basierende Modelle Statistische Modelle mit Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen.427 Literatur Modellierung der Verbrennung flüssiger Brennstoffe Phänomenologie der Verbrennung flüssiger Brennstoffe Zerstäubung Zerstäuber Primärzerfall Sekundärzerfall Einflüsse auf die Zerstäubung Beschreibung eines Sprays Modellierung des Tropfenzerfalls...455

7 XII Inhaltsverzeichnis Empirische Modellierung Mechanische Modellierung Verdampfung Quasi-eindimensionale Abschätzung der Tropfenverdamfung Detailliertere Berechnung des abdampfenden Massenstroms Berechnung der Tropfentemperatur Modelle zur numerischen Beschreibung von Mehrphasenströmungen Lokal homogene Modelle (LHF-Modelle, locally homogeneous flow) Modelle unter Beachtung der Dispersion (SF-Modelle, separated flow) Turbulente Dispersion Deterministische Verfahren Stochastische Verfahren Particle Cloud Tracking Modelle Sprayverbrennung Verbrennung von Einzeltröpfchen Verbrennung eines Sprays Literatur Die Verbrennung fester Brennstoffe Einleitung Kohlefeuerungen Phänomenologie des Kohleverbrennungsprozesses Berechnungsmethodik der Kohleverbrennung Strömungsfeld Wärmeübertragung Die heterogene Kohleverbrennungsmodellierung Die Berücksichtigung der homogenen Gaphasen-reaktion Berechnungsbeispiele von Kohlefeuerungen Literatur Stationäre, eindimensionale Strömungen mit Wärmezufuhr Wärmezufuhr im Kanal mit veränderlichem Querschnitt Wärmezufuhr im Kanal konstanten Querschnitts Berechnung des statischen Druckverhältnisses Berechnung des Totaldruckverhältnisses Kritische Wärmezufuhr Literatur...589

8 Inhaltsverzeichnis XIII 17. Emissionen der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Primärenergie und Luftschadstoffe Emission der Stickoxide (NOx) Bildungsmechanismen der Stickoxide Bildungsmechanismen des Thermischen NO (Zeldovich-NO) Bildungsmechanismen des Prompten NO (Fenimore-NO) Über Distickstoffoxid (N 2 O, Lachgas) erzeugtes NO Über das NNH-Radikal gebildetes NO Bildungsmechanismen der Konversion von brennstoff gebundenem Stickstoff in NO NOx-Bildung bei Abgasrückführung Grundlegende Zusammenstellung der Primärmaßnahmen zur NOx-Reduktion Kohlenmonoxid (CO) Unverbrannte Kohlenwasserstoffe als Schadstoffemissionen Bildung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK, PAH) als Rußvorgänger Ruß Literatur Gasturbinenbrennkammern Konventionelle Brennkammern von Gasturbinen Funktionsweise Brennkammerbauformen Brennstoffeindüsung Der Brennkammerdruckverlust Die Temperaturverteilung am Brennkammeraustritt Betriebsverhalten einer konventionellen Fluggasturbinenbrennkammer Gasturbinenbrennkammertechnologie zur Reduktion der Emissionen Technologie schadstoffreduzierter Brennkammer (LEC) Magerverbrennung gasförmiger Brennstoffe (DLE) Magerverbrennung flüssiger Brennstoffe Fett-Magerverbrennung (RQL, Rich burn Quick quench Lean burn) Lean Direct Injection Systeme (LDI) Nachverbrennung Alternative Brennstoffe Absenkung der Flammentemperatur...681

9 XIV Inhaltsverzeichnis 18.3 Katalytische Verbrennung Literatur Primäre Reduktion der Stickoxidemission bei Feuerungsanlagen NOx-reduzierte Kohlefeuerung Modellierung der NOx-Bildung Stickoxidbildung bei gestufter Verbrennung Emissionen ausgeführter Feuerungsanlagen Kohlefeuerungen von Kraftwerken Ölgefeuerte Anlagen Gasgefeuerte Anlagen Literatur Sekundäre Maßnahmen der Abgasreinigung Entschwefelung bei Feuerungsanlagen Trockenadditiv-Verfahren Waschverfahren Entstickung bei stationären und mobilen Anlagen Selektive nichtkatalytische Reduktion (SNCR) Katalytische Verfahren bei stationären Anlagen Der Drei-Wege-Katalysator mit mobilen Anlagen Partikelrückhaltung bei stationären Anlagen Rußentfernung bei mobilen Anlagen, Abgasreinigung des Dieselmotors Literatur CO 2 -Sequestierung CO 2 -Abscheidungstechniken Abgasreinigung CO 2 -arme Kraftwerkskonzepte Auswirkungen und Verbrennungsprozess CO 2 -Verwertung CO 2 -Deponierung Mögliche Umweltwirkungen der Abscheidungstechnologien Literatur...735

10 Inhaltsverzeichnis XV 22. Thermoakustik von Brennkammern Einleitung Anregungsmechanismen der Brennkammerpulsationen Phänomen der fremderregten Brennkammerschwingungen Das Phänomen der selbsterregten Brennkammer schwingungen Abhilfemaßnahmen Modifikation am Brenner, am Brennraum oder an der Brennstoff- bzw. Luftzuführung Passive Dämpfungsmaßnahmen Aktive Stabilisierungsmaßnahmen Analysemethoden der Thermoakustik Experimentelle Untersuchungsmethoden Akustische Stabilitätsanalysen der Brennkammer Verzugszeitmodelle Stabilitätsanalysen mit Flammenübertragungsfunktionen Instationäre CFD-Berechnung Literatur Wärmeübertragung in Brennräumen Wärmeübertragungsprozesse vom Heißgas auf die Wand Wärmeaustausch durch Strahlung Wärmeleitung innerhalb der Wand Wärmeabgabe der Wand Strahlungsaustausch mit der Umgebung Konvektion auf der kalten Wandseite Wärmedurchgang durch die Wand Wände mit vergrößerter Oberfläche Filmkühlung der Heißgasseite Literatur Motorische Verbrennung Thermodynamische Modellierung des Brennverlaufs Beschreibung der dieselmotorischen Verbrennung Einleitung Strahlmodellierung Wandwärmeübergang Selbstzündung Verbrennungsmodell Schadstoffbildung Beispiele dieselmotorischer Verbrennungssimulation...822

11 XVI Inhaltsverzeichnis 24.3 Beschreibung der ottomotorischen Verbrennung Einleitung Verbrennungsmodelle Beispiele ottomotorischer Verbrennungssimulation Primäre Maßnahmen zur Emissionsreduktion von Verbrennungsmotoren Absenkung der Spitzentemperaturen Abgasrezirkulation (EGR) Zusammenfassung Literatur Standardmessverfahren der Luftschadstoffe Überblick Chemilumineszenzanalysator für NOx Nichtdispersiver Infrarotanalysator (NDIR) für alle Gase Flammen-Ionisations-Detektor (FID) für HC Paramagnetischer Analysator (PMA) für O O 3 -Nachweis durch UV-Absorption SO 2 -Nachweis durch UV-Fluoreszenz Die Fotometrie Kolorimetrie Konduktometrie Chromatographische Verfahren Olfaktometrie Rauchmessung Nachweis von Schwebstoffen (Feinstaub, PM 10, PM 2,5 ) in der Luft Partikeltrennung durch einen Kaskadenimpaktor Messung der Staubniederschläge aus der Atmosphäre Messung der Staubkonzentration der Luft Staubmessung durch Absorption von β-strahlung Luftkontrollstation Standardverfahren zur Messung der Emissionen von Gasturbinen und Kraftfahrzeugen Umrechnungen und Konzentrationen Feuchtigkeitskorrektur Der Emissionsindex EI Der Verbrennungswirkungsgrad Literatur...866

12 Inhaltsverzeichnis XVII 26. Gesetze und Verordnungen zur Luftreinhaltung Internationale Vereinbarungen Die Genfer UNECE-Konvention über weiträumige, grenzüberschreitende Luftverunreinigungen von Das Protokoll zur Begründung des europäischen Messund Bewertungsprogramms für Luftschadstoffe von Das Helsinki-Protokoll von Das Sofia-Protokoll von Das Genfer-Protokoll von Das Oslo-Protokoll von Das Kyoto-Protokoll von Das Aarhus-Protokoll von Das Göteborg-Protokoll von Internationale Abgasgrenzwerte für den Luftverkehr Andere internationale Regelungen EU-Recht Die Luftqualitäts-Rahmenrichtlinie von Die 1. Tochterrichtlinie für SO 2, NO 2, PM 10 und Blei von Die VOC-Richtlinie von Die 3. Tochterrichtlinie über den Ozongehalt der Luft von Die Großfeuerungsanlagen-Richtlinie von Die Richtlinie über nationale Emissionshöchstgrenzen für bestimmte Luftschadstoffe von Abgasgrenzwerte für den Verkehr Nationale Gesetzgebung Allgemeines Das Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge in der Fassung vom 11. September Zusammenstellung der Verordnungen des BImSchG Kleinfeuerungsanlagen (1. BImSchV) Großfeuerungsanlagen (13. BImSchV) Sonstige Feuerungsanlagen (TA-Luft) Abfallverbrennungsanlagen (17. BImSchV) Umweltveträglichkeitsprüfungsgesetz (UVPG) Literatur...896

13 XVIII Inhaltsverzeichnis Anhang Literatur Sachverzeichnis...901