Verbrennung und Dampferzeugung

Transkript

1 Institut für Energietechnik, Verbrennung und Dampferzeugung - universitäres Fernstudium Verbrennung, Vergasung, Pyrolyse

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3 Eine Verbrennung ist eine schnelle Redoxreaktion eines Brennstoffes mit Sauerstoff unter Abgabe von Wärme, bei der die Oxidation bis zur höchsten erreichbaren Oxidationsstufe erfolgt. Folie 3 von 63

4 - Grundlagen - Folie 4 von 63

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6 Brennbare Bestandteile: Folie 6 von 63

7 C + O2 CO2 2 H + ½ O2 H2 O S + O2 SO2 Folie 7 von 63

8 Verbrennung typischer Bestandteile von Brenngasen: H2 + ½ O2 H2 O CO + ½ O2 CO2 CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O Folie 8 von 63

9 Voraussetzungen der Verbrennung: Brennbares Material in ausreichender Menge Oxidationsmittel, meist Sauerstoff Das richtige Mengenverhältnis des brennbaren Stoffes mit der Umgebungsluft oder dem reaktiven Gas Oxidationsmittel und brennbares Material müssen gut vermischt sein. Folie 9 von 63

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12 Eine vollständige Verbrennung führt komplett bis zu den höchsten Oxidationsstufen CO2, H2O und SO2. Bei einer unvollständigen Verbrennung bleiben Verbindungen niedrigerer Oxidationsstufe erhalten wie z.b. CO, Ruß, Teer Bei einer unvollkommenen Verbrennung bleibt ungenutzter Brennstoff übrig. Folie 12 von 63

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15 Wirkung einer Luftzahländerung auf die Verbrennung Folie 15 von 63

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18 - Verbrennungsablauf - Folie 18 von 63

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32 - Verbrennungsrechnung - Folie 32 von 63

33 Die Verbrennungsrechnung umfast die Stoff-, Massen-, und Energiebilanz der Verbrennung. Dabei wird von einer vollständigen Verbrennung und für die Energiebilanz von adiabaten Verhältnissen ausgegangen. Folie 33 von 63

34 Prinzipskizze Verbrennung - Bilanzkreis Folie 34 von 63

35 Für die Verbrennungsrechnung sind zwei Ausgangspunkte möglich: die exakte Zusammensetzung des Brennstoffes ist bekannt Berechnung mit dieser Zusammensetzung (Brenngase, einige Flüssigbrennstoffe wie Ethanol) nur die Elementarzusammensetzung ist bekannt Berechnung mit Elementarzusammensetzung (Festbrennstoffe, Erdöl, Heizöl, Benzin u.ä.) Folie 35 von 63

36 Folie 36 von 63

37 Berechnung für feste Brennstoffe C + O2 CO2 2 H + ½ O2 H2 O S + O2 SO2 Sauerstoffbedarf theoretischer Luftbedarf Lmin =O2min/0,23 [kg/kgbr.] Folie 37 von 63

38 Realer Luftbedarf: 3 L= n L = L + L m λ min min n / kg Br. oder [ kg/kg Br.] [ ] mit Luftzahl λ Mindestrauchgasmenge: trocken tr R min = (11/ 3) c + 2 s + 0,765 L min + n W = 9h+ w [kg/kg Br.] [kg/kg Br.] feucht Folie 38 von 63

39 Berechnung für gasförmige Brennstoffe Sauerstoffbedarf O 2 min = 0,5 (CO + H2 ) + (x + y/4) C x H y O 2 [m n3 O 2 / m n3 Br.] Mindestrauchgasmenge: trocken tr Rmin = CO + CO 2 + x C xhy + 0,79 L min + N2 CO 2 [m3 n / m3 n Br.] N2 feucht Rfmin = Rtrmin + H2 + (y/2)cxhy Folie 39 von 63

40 reale Rauchgasmengen Folie 40 von 63

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42 - Verbrennungstemperatur - Folie 42 von 63

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45 Die Feuerraumtemperatur (reale Verbrennungstemperatur) ist abhängig von: - Brennstoffheizwert - Luftüberschuss - Brennkammergestaltung - Wärmeaufnahme der Brennkammerwände - Heizflächenverschmutzung - Luftvorwärmung - Brennstoffumsatz pro Zeiteinheit - Brennkammerbelastung Folie 45 von 63

46 - Vergasung, Pyrolyse - Folie 46 von 63

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48 Vergasung: Unterstöchiometrische Umsetzung mit Luft oder anderem Vergasungsmittel (Sauerstoff, Dampf ) Pyrolyse: thermische Zersetzung ohne Vergasungsmittel Folie 48 von 63

49 Vergasung Festbrennstoff Sauerstoff/ Luft Festbrennstoff Wasser / Kohlendioxid autotherme Vergasung Brenngas allotherme Vergasung Brenngas Wärme Folie 49 von 63

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55 Messungen im Festbett Teillastuntersuchungen Lastwechselgeschwindigkeit numerische Simulation Validierung der Modelle Brennstoffvariationen Betriebsprognosen BHKW-Versuchsstand (im Aufbau) > >1400 C C C <500 C Folie 55 von 63

56 [University of Flensburg] Folie 56 von 63

57 Zusammensetzung des Gases (Gleichstromvergaser) Substanz CO H CO CH4 1 2,5 N2 Gehalt [Vol-%] Rest zu 100 Folie 57 von 63

58 Pyrolyse Pyrolysekoks Festbrennstoff Pyrolyse Pyrolyseöl Pyrolysegas Wärme 3 C6H10O5 8 H2O + C6H8O + 2 CO + 2 CO2 + CH4 + H2 + 7 C Folie 58 von 63

59 Folie 59 von 63

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61 Bsp. Langsame Pyrolyse: ConTherm-Verfahren der Fa. TechTrade GmbH Folie 61 von 63

62 Blitzpyrolyse des Forschungszentrums Karlsruhe [Dinjus 2007] Folie 62 von 63

63 Eigenschaften der Brennstoffumwandlungsverfahren Folie 63 von 63