Brennerversuchseinrichtung

Für industrielle Brenner steigen stetig die Anforderungen bezüglich Energieeffizienz in der Einbaulage und deren Emissionen. Durch die tiefgreifenden Arbeiten zur Stickoxidmodellierung für industrielle Öfen und Brenner am Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik wurde eine breite Wissensbasis zur Bildung von Stickoxiden in Brennern und deren Vermeidung durch konstruktive Maßnahmen geschaffen. Diese Erkenntnisse wurden durch ein Simulationskonzept mittels OpenFOAM umgesetzt und anhand von Abgasmessungen beim Industriepartner auf ihre Korrektheit überprüft. Um diese Erkenntnisse weiter zu vertiefen und Evaluierungen am Forschungsstandort Leoben durchführen zu können, wurde entschieden, die Brennerversuchseinrichtung zu bauen. Bei der Planung wurde auf ein möglichst breites Anwendungsspektrum der Versuchseinrichtung geachtet. So kann der Einfluss von alternativen Brenngasen und der Sauerstoffanreicherung bis hin zum Reinsauerstoff untersucht werden. Des Weiteren gibt es die Möglichkeit, Beflammungsversuche im Rahmen der Prozess- und Anlagensicherheit durchzuführen.

Die Brennerversuchseinrichtung (Abb. 1) besteht aus einer begehbaren Stahlkonstruktion mit Feuerfestleichtzustellung und wird in eine bereits bestehende Abgasstrecke eingebunden. Dadurch ergibt sich die aktuelle Limitierung der Leistung im Erdgas-Luftbetrieb auf 1 MW. Des Weiteren verfügt die Einrichtung über 14 Kühlelemente, welche nach Bedarf in den Brennraum eingeführt werden können. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, symmetrische und asymmetrische Kühllasten abzubilden und unter Verwendung aller Kühlelemente Sauerstoffbrenner mit bis zu 1,5 MW zu betreiben. Neben den Anschlüssen zur Abgasmessung besitzt die Brennerversuchseinrichtung 23 luftgekühlte Messfenster aus Quarzglas, welche bis zu einer Wellenlänge von 280 nm UV durchlässig sind. Ein weiteres Designkriterium war die schwenk- beziehungsweise abnehmbare Ausführung der Anlagentüre, wodurch ein schneller und leichter Zugang für Beflammungsversuche gewährleistet ist. Der Einbau verschiedener Brennertypen in die Versuchsanlage kann durch Adapterplatten in der Türe realisiert werden. Für Versuche mit Deckenbrennern kann über die Öffnungen der Kühlelemente eine abgehängtes Deckenelement befestigt werden, dieses ist für den jeweiligen Brenner einzeln anzufertigen.

Die Brennerversuchseinrichtung verfügt über eine Abgasanalyse durch optische Messzellen, welche den Restsauerstoff, das Kohlenmonoxid, das Kohlendioxid und die Stickoxide als Summenparameter erfasst. Sämtliche Medienströme an Luft, Sauerstoff, Erdgas und alternative Gase werden durch die Sensoren in der Gasregelstrecke digital aufgezeichnet. Bei Entnahme der Messfenster können mittels einer Infrarotkamera die Innenwandtemperaturen aufgezeichnet werden. Hierbei erfolgt eine Korrektur basierend auf der Abgaszusammensetzung. Lokale Konzentrationen an Restsauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickoxiden in der Brennerversuchseinrichtung können durch einzelnes Entnehmen der Messfenster und anschließender Absaugung mittels Messlanzen bestimmt werden. Diese sind so angeordnet, dass jeder Punkt im Brennraum erreicht wird. Für lokale Temperaturmessungen wird ein Absaugpyrometer eingesetzt.

Die Quarzgläser der Messfenster erlauben durch ihre UV-Durchlässigkeit und Position den Einsatz von Lasermessverfahren, die durch Messtechnik des Lehrstuhls für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes in zukünftig angedachten Kooperationsprojekten durchgeführt werden können. So kann das Strömungsfeld und die Turbulenz mittels Particle Image Velocimetry (PIV) in Schnittebenen bestimmt werden. Mittels Laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) lassen sich auch chemische Spezies in solchen Schnittebenen bestimmen.

Parallel zum Aufbau der Brennerversuchseinrichtung entsteht ein digitales Abbild der Versuchseinrichtung, welches auf einem Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationskonzept basiert. Ziel dieses virtuellen Abbilds ist es, im Rahmen von Optimierungszyklen die Anzahl von Heißversuchen möglichst gering zu halten, um ein zeit- und ressourceneffizientes Arbeiten zu ermöglichen. Das Konzept für diesen Optimierungszyklus wird in Abb. 2 dargestellt. Im ersten Schritt erfolgt die Vereinigung der Geometrien von Brennkammer und dem zu untersuchenden Brenner. Anschließend erfolgt eine Netzgittergenerierung mittels CF-Mesh [1], welches großteils automatisiert ist. Diese Netzgitter stellen die Basis der CFD Berechnung dar, welche unter Anwendung von OpenFOAM [2] erfolgt. Je nach Brennertyp stehen hier verschiedene Modelle für die turbulente Verbrennung zur Verfügung. Für Mündungsmischbrenner kommt das Flamelet-Equilibrium-Hybrid Modell von Edler et al. [3] zum Einsatz bzw. für vorgemischte und teilvorgemischte Brenner das Eddy Dissipation Concept (EDC) [4] unter Verwendung eines reduzierten Reaktionsmechanismus. Die Flammenstrahlung wird mit Hilfe des Discrete Ordinate Ansatzes [5] modelliert, wobei die Emissionskoeffizienten der Gasmischung temperatur-, druck- und konzentrationsabhängig bestimmt werden.

Da schnell rechnende Verbrennungsmodelle, wie das Flamelet-Equilibrium-Hybrid Modell oder das Eddy Dissipation Concept, unter Verwendung reduzierter Reaktionsmechanismen die Konzentrationen gewisser Radikale, welche bei der Bildung von thermischen und promoten Stickoxiden eine Rolle spielen, nicht korrekt wiedergeben, erfolgt ein Postprocessing. In diesem Schritt wird die Temperatur, das Strömungsfeld und die Turbulenz konstant gehalten und die relevanten Reaktionen mittels eines Rechenzeit optimierten Verfahrens gelöst. Die Konzentrationen der makroskopischen Spezies dienen hierbei als Startwerte. Für dieses Postprocessing wurden zwei Verfahren am Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik entwickelt. Die Version 1+ [6] beschreibt nur den thermischen Bildungsweg über den Mechanismus nach Hanson [7] unter der Annahme eines partiellen Gleichgewichts. Dieser Ansatz benötigt sehr geringe numerische Ressourcen, jedoch wird die Bildung von thermischen Stickoxiden leicht unterschätzt. Dennoch ist diese Methode ausreichend für den Optimierungszyklus. Um eine präzise Aussage über die räumlichen Konzentrationen an thermischen und promoten Stickoxiden zu erhalten, wird der Postprocessor der Version 2+ [8] eingesetzt. Dieser verwendet einen detaillierten Reaktionsmechanismus, welcher alle relevanten Radikalreaktionen abbildet. Zur Steigerung der Recheneffizienz wurden Filteralgorithmen entwickelt, welche die für die Lösung notwendigen Reaktionen in jeder einzelnen Rechenzelle erkennen und nur diese lösen. Diese Ergebnisse können anschließend mithilfe der ausgeführten Messungen in der Brennkammer evaluiert werden.