Diese Arbeit konzentriert sich auf die Anwendung der plasmaunterstützten Zündung und Verbrennung in Staubbrennern. Die plasmaunterstützte Zündung von staubförmigem Brennstoff als alternative Technologie zum Anfahren von staubgefeuerten Kraftwerken wird in einer 400 kW Pilotanlage unter Verwendung verschiedener Qualitäten von Braunkohle sowie holzartiger Biomasse mit unterschiedlichen Zündeigenschaften untersucht. Die kurzzeitige plasmaunterstützte Zündung unter kalten Kesselbedingungen wird anhand von Parameterstudien bezüglich der erforderlichen Leistung des Plasmabrenners, des Luftdralls, der Plasmabrennerpositionierung, der Partikelgrößenverteilung usw. demonstriert, um den Einfluss verschiedener Brennerparameter zu identifizieren. Die während dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen sollen die Entwicklung solcher Systeme unterstützen, bei denen Plasma nur als Zündquelle und nicht als kontinuierliche Flammenstabilisierungsmethode verwendet wird. Darüber hinaus werden Versuche durchgeführt, um das Potenzial der plasmaunterstützten Verbrennung im Teillast- und Mindeslastbetrieb zu untersuchen.
Untersuchungen der Zündeigenschaften von Brennstoffen zeigen, dass die Zündwilligkeitskennzahl und der Deflagrationsindex den stärksten Einfluss auf die Brennstoffeigenschaften zeigen und in gutem Maße mit dem in den Pilotversuchen beobachteten Zündverhalten von Brennstoffen übereinstimmen. Die plasmaunterstützten Zündversuche haben gezeigt, dass Braunkohlequalitäten mit einem Wassergehalt bis zu 15% unter kalten Kesselbedingungen mit kurzzeitiger Plasmaunterstützung und 4.2 kW Leistung eine Flamme am Brennermund bilden. Eine Erhöhung des Wassergehalts auf etwa 20% behindert nicht die Bildung dieser selbsterhaltenden Flamme, obwohl ein Abheben der Flamme beobachtet wurde und der Betriebsbereich, bzw. die Brennerlast und die Luftzahl begrenzt wurde. Diese Braunkohlequalitäten hatten alle eine mittlere Korngröße von unter 450 μm und einen Aschegehalt von unter 12 %. Braunkohlequalitäten mit einer mittleren Korngröße größer als 500 μm wurden mit einem Plasmabrenner mit bis zu 7 kW Leistung gezündet, bildeten aber keine selbsterhaltende Flamme ohne Plasmaunterstützung.
Die Variation der Zündrandbedingungen, d. h. der Brennerparameter, hatten einen stärkeren Einfluss auf die Brennstoffe mit geringerer Zündfähigkeit. Eine Erhöhung der Plasmaleistung erweiterte die Zündgrenze, vor allem bei den weniger zündfähigen Brennstoffen, wo die Zündung über einen breiteren Bereich von Betriebsparametern durchgeführt wurde, obwohl keine Verbesserung bezüglich der Bildung von selbsterhaltenden Flammen beobachtet wurde.
Darüber hinaus legten Vergleiche zwischen zwei Plasmasystemen, die sich hauptsächlich in der Größe der Plasmaflamme unterscheiden, nahe, dass das Ausmaß des Plasma-Partikel-Kontakts eine bedeutende Rolle bei der Zündung spielt.
Parameterstudien haben auch die Bedeutung des Sekundärluftdralls bekräftigt, und zwar nicht nur für die Flammenstabilisierung, sondern auch für die Zündung. Ein Drall der Primärluft zeigte eine nachteilige Wirkung auf die Zündung und die Flammenstabilität, wenn der Plasmabrenner vom Brennerkopf in den Primärluftring zurückgezogen wurde. Im Gegensatz dazu zeigte der Rückzug des Plasmabrenners bei drallfreier Primärluft aufgrund einer reduzierten Geschwindigkeit am Brenneraustritt und eines verbesserten Plasma-Partikel-Kontaktes vielversprechende Ergebnisse.
Die plasmaunterstützte Verbrennung im Teillastbetrieb zeigte eine leichte Verbesserung des Verbrennungsverhaltens bis zum Erreichen von 50% Teillast. Bei weiterer Verringerung der Last verschlechterte sich das Verbrennungsverhalten aufgrund von übermäßigem Wärmeverlust und möglicherweise ungeeigneter Brenneraerodynamik, dabei konnte auch die plasmaunterstützte Verbrennung nicht zu einer bemerkenswerten Verbesserung beitragen. Obwohl es einen Anstieg der CO und NOx-Emissionen in der Nähe der Brennerzone bei niedriger Last gab, z. B. Teillast von 38 %, wurden die Emissionen des Rauchgases durch die Verringerung der Last sogar leicht reduziert. Aufgrund der thermischen NO-Bildung durch Hochtemperaturplasma war die plasmaunterstützte Verbrennung, im Vergleich zur Standardverbrennung, mit höheren NOx-Emissionen verbunden. Dieses erhöhte NOx-Niveau wurde mit der gestuften Verbrennung erfolgreich überwunden, wo ähnliche NOx-Niveaus bei der plasmaunterstützten Verbrennung wie bei der normalen Verbrennung mit einer brennernahen Luftzahl von 0,8 bzw. 1,2 erreicht wurden.