Technische Verbrennung

Transkript

1 Franz Joos Technische Verbrennung Verbrennungstechnik, Verbrennungsmodellierung, Emissionen Mit 449 Abbildungen und 65 Tabellen Springer

2 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 100 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 143 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 IX Reduktion des Rechenaufwandes mittels neuronaler Netze 192 Literatur Flammenstabilisierung Physik der Flammenstabilisierung Stabilisierung selbstzündender Flammen Flammeninstabilität in der Nähe der Zünd- und Löschgrenzen Löschabstand 213 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 266 Literatur Laminare Vormischflammen Flammengeschwindigkeit Messverfahren der Flammengeschwindigkeit Rohrreaktor Rührkessel Messwerte der Flammengeschwindigkeit Theoretische Beschreibung der laminaren Flammengeschwindigkeit Vereinfachte thermische Theorie der Flammenausbreitung 294

5 9.4.2 Numerische Modellierung der Flammengeschwindigkeit Laminare Flammenstrukturen 307 Literatur Laminare nicht-vorgemischte Flammen Erscheinungsformen nicht-vorgemischter Flammen Abschätzung der Flammenlänge Modellierung nicht-vorgemischter Gegenstromflammen Mischungsbruchbeschreibung nicht-vorgemischter Flammen mit schneller Chemie 321 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 Queilterms 364 Literatur Schließungsmodelle turbulenter nicht-vorgemischter Flammen Das Eddy-Dissipations-Modell (EDM) Das linearisierte Finite-Rate-Chemistry-Modell (FRCM) 377

6 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 409 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 511 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 564 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 586 Literatur 589

8 XIII 17. Emissionen der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Primärenergie und Luftschadstoffe Emission der Stickoxide (NOx) Bildungsmechanismen der Stickoxide Bildungsmechanismen des Thermischen NO (Zeldovich-./VO) Bildungsmechanismen des Prompten NO (Fenimore-/VO) Über Distickstoffoxid (N 2 O, Lachgas) erzeugtes NO Über das AW//-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 619 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 682 Literatur Primäre Reduktion der Stickoxidemission bei Feuerungsanlagen /VOjt-reduzierte Kohlefeuerung Modellierung der NOx-BMung Stickoxidbildung bei gestufter Verbrennung Emissionen ausgeführter Feuerungsanlagen Kohlefeuerungen von Kraftwerken Ölgefeuerte Anlagen Gasgefeuerte Anlagen 705 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 722 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 XV 22. Thermoakustik von Brennkammern Einleitung Anregungsmechanismen der Brennkammerpulsationen Phänomen der fremderregten Brennkammerschwingungen Das Phänomen der selbsterregten Brennkammer Schwingungen Abhilfemaßnähmen 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 763 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 801 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 837 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 Nachweis durch UV-Absorption S0 2 -Nachweis durch t/v-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 ß-Strahlung Luftkontrollstation Standard verfahren zur Messung der Emissionen von Gasturbinen und Kraftfahrzeugen Umrechnungen und Konzentrationen Feuchtigkeitskorrektur Der Emissionsindex EI Der Verbrennungswirkungsgrad 866 Literatur 866

12 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 l0 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) 896 Literatur 896

13 XVIII Inhaltsverzeichnis Anhang 897 Literatur 900 Sachverzeichnis 901