Seit 1990 konnte die so genannte flammlose Verbrennung für gasförmige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe erfolgreich angewendet werden. Basierend darauf ist diese Technologie in jüngster Zeit für feste Brennstoffe wie Kohlenstaub in den Fokus des Interesses gerückt. Das Ziel dieser Arbeit ist es die Machbarkeit und das Potenzial der flammenlosen Verbrennung zur NOx-Minderung für die Kohlenstaubfeuerung zu zeigen und zu bewerten.
Die experimentellen Studien zur flammlosen Verbrennung von Kohlenstaub in einer Testanlage im Labormaßstab (5-10 kWth) stellen die Basis dieser Arbeit dar. Darauf aufbauend wird ein geeignetes Brenner-Design im Pilotmaßstab von ca. 300 kWth entwickelt, gebaut und experimentell untersucht. Um die spezifischen Aspekte der flammlosen Verbrennung von Kohlenstaub zu erfassen, wurden detaillierte Temperaturmessungen und Gasanalysen im Brennraum und im Abgas durchgeführt. Dabei wurden die wichtigsten Prozessparameter zur NOx-Bildung bzw. NOx-Reduktion bei der Kohlenstaubfeuerung bestimmt.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Kohlenstaubfeuerung mit einer aerodynamisch stabilisierten leuchtenden Flamme gibt es bei der flammlosen Verbrennung keine sichtbare Flamme. Bei der flammlosen Kohlenstaubverbrennung führt die hohe Geschwindigkeit der Verbrennungsluft im Eindüsungsbereich zu einer internen Rezirkulation, wodurch die Verbrennungszone intensiv durchmischt wird und die Kohlenstaubpartikel in der primären Pyrolysezone aufgeheizt werden. Eine hohe interne Rückführung der heißen Verbrennungsprodukte in die primäre Pyrolysezone begünstigt eine frühe Entgasung und eine Abnahme des Zündverzugs, was zwei wichtige Faktoren zur NOx-Reduktion sind. Das wesentliche Potential der flammlosen Kohlenstaubverbrennung liegt daher in der verbesserten Kinetik der homogenen Gasphasenreaktionen sowie eines unterstützen homogenen NO-Nachverbrennungsmechanismus. Darüber hinaus wird gezeigt, dass neben der NO-Reduktion in der homogenen Gasphase die NO-Reduktion auf den Koksoberflächen ebenfalls wichtig ist.
Als übergeordnetes Ergebnis kann die kostengünstige PC-FLOXTM (Pulverised Coal Flameless Oxidation)-Brenner-Technologie als vielversprechend zur NOx-Minderung in Kraftwerkskesseln bewertet werden. Um den aktuellen und zukünftigen NOx-Anforderungen gerecht zu werden, stellt die PC-FLOXTM-Brenner-Technologie bei der Nachrüstung bereits bestehender Kraftwerke unter Umständen eine kostengünstige Alternative zur nachgeschalteten Stickoxidminderung mit dem SCR-Verfahren dar.
Neben den Vorteilen dieser Technologie gibt es noch erhebliche technische Herausforderungen bei der Implementierung der PC-FLOXTM-Brenner in Kraftwerkskessel. So müssen z.B. die Feuerraum- und Brennerkonstruktion, die Brenneranordnung sowie die Wärmeübertragung im Feuerraum noch weiter untersucht werden.