Diese Arbeit untersucht die Verbrennung flüssiger Brennstoffe in einer 150 kW halbtechnischen FLOX-Brennkammer zur Reduktion der NOx-Emissionen technischer Feuerungen. Aufgrund zunehmend strenger werdender gesetzlicher Rahmenbedingungen für NOx-Emissionen ist es erforderlich Maßnahmen zu entwickeln und untersuchen, welche die Menge an emittiertem NOx effektiv reduzieren. Besonders zweckmäßig sind dafür sogenannte Primärmaßnahmen, welche darauf abzielen zu vermeiden, dass durch den Verbrennungsprozess NOx entstehen. Im Gegensatz dazu werden Sekundärmaßnahmen eingesetzt, um im Verbrennungsprozess entstandene Stickoxide wieder abzubauen. Die flammlose Verbrennung ist ein den Primärmaßnahmen zuzurechnendes Verbrennungsverfahren. Dabei werden Brennstoff, Abgas und Frischluft so vermischt, dass eine heiße verdünnte Mixtur geringer Sauerstoff- und Brennstoffkonzentration oberhalb der Selbstentzündungstemperatur entsteht. Die Verbrennung findet im Vergleich zur konventionellen Flamme langsamer, in einem ausgedehnteren Volumen bei geringeren Maximaltemperaturen statt. Dadurch wird die thermische Stickoxidbildung unterdrückt, welche für die meisten flüssigen und gasförmigen Energieträger den bedeutendsten Anteil der NOx-Emissionen im Abgas ausmacht.
Die Zerstäubung stellt einen bedeutenden Aspekt bei der Verbrennung flüssiger Brennstoffe dar. Im Gegensatz zur Verbrennung eines Gases stellt die Überführung des Brennstoffes von der flüssigen in die Gasphase ein zusätzliches Hindernis zum Erreichen einer homogenen, verdünnten Mixtur von Brennstoff, Abgas und Frischluft dar. Mittels Laserdopplermessungen wurde die Zerstäubung von Zweistoffdüsen des Typs „Internal Mixing Air-Assist Atomizers“ mit Wasser und Druckluft als Prozessmedium charakterisiert. Die Untersuchungen ergaben, dass ab 50 mm Entfernung von der Düse ein voll ausgebildetes Spray vorherrscht. Ein höherer Zerstäubungsluftdruck und größere Düsenaustrittsdurchmesser führen zu einem höheren Druckluftmassenstrom, wodurch mehr kinetische Energie zur Zerstäubung zur Verfügung steht. Die Folge sind kleinere Tropfen im Spray und eine Reduktion des Sauterdurchmessers. Die experimentell ermittelten Daten konnten nach dem Modell von Rizk & Lefebvre unter Annahme einer Ringströmung sowie Schallgeschwindigkeit in der Gasströmung beschrieben werden. Über das Modell von Rizk & Lefebvre konnten die vorliegenden Sauterdurchmesser von Heizöl EL und Freien Fettsäuren (FFS), den in dieser Arbeit untersuchten Flüssigbrennstoffen, abgeschätzt werden. Aufgrund der höheren Viskosität und einem geringeren Brennstoff-Druckluftverhältnis sind die entstehenden Tropfen für FFS größer als für Heizöl EL. Die Tropfenlebenszeit für FFS ist aufgrund größerer Tropfen sowie einer geringeren Verdampfungsrate deutlich höher als für Heizöl EL. Somit verdampfen FFS bei gleichen Umgebungsbedingungen langsamer als Heizöl EL.
Die experimentellen Untersuchungen in der FLOX-Brennkammer am IFK wurden mit Heizöl EL und FFS durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss der Zerstäubung über Sprühwinkel, Zerstäubungsluftdruck, Düsenaustrittsdurchmesser (sowie Brennstoffvorwärmung für FFS) und brennkammerbezogener Prozessparameter wie Luftzahl und Feuerungswärmeleistung auf die NOx-, CO- und N2O-Emissionen im Abgas und das Temperaturprofil in der Brennkammer untersucht. Detailuntersuchungen ausgewählter Einstellungen erfolgten mittels Absaugpyrometer, womit lokale Gas- und Temperaturprofile innerhalb der Brennkammer erstellt wurden.
Für beide Brennstoffe zeigte sich, dass die NOx-Emissionen geringer waren, wenn die Luftzahl erhöht, die Feuerungswärmeleistung reduziert, eine Düse mit einem Sprühwinkel von 0° eingesetzt wurde, der Zerstäubungsluftdruck erhöht und der Düsenaustrittsdurchmesser erhöht wurde. Für FFS wurde ebenfalls eine Reduktion der Stickoxidemissionen mit Erhöhung der Brennstoffvorwärmtemperatur erzielt.
Luftzahl und Feuerungswärmeleistung wirken auf die maximale Brennraumtemperatur. Eine Reduktion der Brennraumtemperatur führt zu geringeren NOx-Emissionen und bei zu starker Absenkung auch zu erhöhten CO-Emissionen. Zerstäubungsbezogene Parameter wie Luftdruck, Sprühwinkel, Düsenaustrittsdurchmesser und Brennstoffvorwärmtemperatur beeinflussen maßgeblich die Tropfengröße und damit wie schnell der Brennstoff verdampfen kann. Kleinere Tropfen und schnelleres Verdampfen begünstigen ein früheres Vermischen des Brennstoffes und eine Reduktion der NOx sowie der CO-Emissionen. Wenn der Brennstoff nicht schnell genug verdampft, kann der Ausbrand beeinträchtigt werden – erhöhte CO-Emissionen sind die Folge. Die Konzentration an N2O im Abgas von Heizöl EL betrug über den gesamten untersuchten Betriebsbereich maximal 1,7 ppm und ist somit vernachlässigbar.
Absaugpyrometermessungen bei Heizöl EL haben gezeigt, dass die Verbrennungsreaktion bei geringem Zerstäubungsluftdruck und erhöhter Feuerungswärmeleistung näher am Brenner in geringerem Volumen bei höheren Temperaturen und höherer Sauerstoffkonzentration stattfindet. Dies deutet auf eine Verschiebung des Regimes von flammloser Oxidation zu einer Flamme hin. Die Bildung von NOx erfolgt dabei im Bereich vermuteter hoher Brennstoffkonzentration und bei geringer Temperatur (< 700°C), was Prompt-NO oder NO-Bildung über den NNH-Mechanismus vermuten lässt.
FFS verdampfen im Vergleich zu Heizöl EL sehr viel langsamer und benötigen höhere Feuerungswärmeleistungen und damit Brennkammertemperaturen zur vollständigen Verbrennung. Die gemessenen Temperaturprofile legen nahe, dass trotz visuell erkennbarer flammenähnlicher Erscheinung bei FFS die Reaktion langsam in ausgedehntem Volumen stattfindet. Bestätigt wird dies durch die geringen Stickoxid-Emissionen aus anderen Quellen als Brennstoffstickstoff. Da die hier eingesetzten FFS gegenüber Heizöl EL ungefähr die doppelte Menge an Brennstoff-Stickstoff enthalten, die NOx-Emissionen im Abgas aber ungefähr gleichblieben, bedeutet das, dass weniger thermisches NOx und weniger NOx auf anderen Pfaden entsteht (Annahme: 85 % Konversion Brennstoffstickstoff). Aus den Beobachtungen zeigt sich, dass der Einsatz beider Brennstoffe in derselben Brennkammer schwierig ist, da aufgrund unterschiedlicher Heizwerte und Verdampfungseigenschaften sich die Prozessfenster stabiler, stickoxidarmer Verbrennung nicht überlappen, was nur teilweise durch die Brennstoffvorwärmung kompensiert werden konnte. Außerdem riefen FFS in der Brennkammer Korrosion hervor und bildeten Ablagerungen, durch aus der Biodieselherstellung mitgeführte Natrium-, Kalium-, Calcium- und Siliziumverbindungen. Mit jedem weiteren Experiment mit FFS sanken die gemessenen NOx- und CO-Emissionen fürs FFS. Für Heizöl EL konnte ebenfalls ein Absinken der NOx-Messwerte, aber ein leichter Anstieg der sonst sehr niedrigen CO-Emissionen verzeichnet werden. Die Messergebnisse konnten mittels zweier unabhängiger Messgeräte an zwei unabhängigen Probennahmestellen bestätigt werden. Ob ein Zusammenhang zwischen Ablagerungen und Messwerten besteht, konnte nicht abschließend geklärt werden.