Die flammlose Oxidationstechnologie (FLOX®) hat bereits ein großes Potenzial bei der Reduzierung von thermischen Stickoxiden bei der Verbrennung von Erdgas gezeigt. Aufgrund der hohen Stabilität des Verbrennungsprozesses wurde die FLOX®-Technologie weiterentwickelt, um verschiedene niederkalorische Gase (LCVG) zu verbrennen. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten und Ergebnisse konzentrieren sich auf die Optimierung solcher flammlosen Brenner für niederkalorische Gase sowie auf eine tiefgreifende Analyse der Verbrennungsprozesse, mit besonderem Schwerpunkt auf den Brennstoff-NOx Bildungs- und ‑Reduktionsmechanismen.
Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass bei der Verbrennung von synthetischen, mit NH3 angereicherten Gasen, die Umwandlung von NH3 zu NOx stark von der CH4-Konzentration im Brennstoff abhängt. Sie nimmt mit zunehmendem CH4-Gehalt deutlich zu. Das CO/H2-Verhältnis hat dagegen keinen messbaren Einfluss auf den NH3-Umsatz. Bei der Vergasung von fester Biomasse und der nachgelagerten flammlosen Verbrennung der Produktgase wurde beobachtet, dass die NOx-Emission vom ursprünglichen N-Gehalt im Brennstoff, den Vergaserparametern wie Temperatur und Luftüberschuss sowie der Stöchiometrie des Brenners abhängt. Bei Brennstoffen mit geringerem N-Gehalt sind die NOx-Emissionen, also die Umwandlungsraten von N zu NOx, vergleichbar mit anderen gängigen Verbrennungstechnologien. Bei Brennstoffen mit hohem N-Gehalt sind die Umwandlungsraten jedoch höher. Es wurde beobachtet, dass je höher die Temperatur und die Luftzahl im Vergaser ist, desto niedrigere NOx-Emission erreicht werden können. Aufgrund der sehr guten Durchmischungsbedingungen ist es möglich, die flammlosen Brenner für LCVG mit sehr geringem Sauerstoffüberschuss zu betreiben und gleichzeitig CO-Emissionen im Bereich von wenigen ppm zu erreichen.
Numerische Modellierung mittels CFD-Software wurde durchgeführt, um das Design verschiedener Brenner zu optimieren. Der wichtigste Parameter bei der Optimierung der Geometrie für LCVG ist die interne Rezirkulationsrate, da die Rezirkulation den Verbrennungsprozess stabilisiert. Die Methodik zur Berechnung der Rezirkulation wurde durch die Berechnung der lokalen Rezirkulationsrate zur quantitativen Analyse des Strömungsfeldes in den Softwarecode eingeführt. Es hat sich gezeigt, dass die CFD-Analyse mit einem globalen Chemiemodell ein ausreichend gutes Werkzeug für die Auslegung der Brennergeometrie ist, um die Strömungsfelder in einem flammlosen Brenner zu optimieren. Für die NOx-Modellierung wurde jedoch ein zweistufiges numerisches Modell entwickelt, das die reaktive Strömungsmodellierung unter Verwendung von CFD -Software und eine detaillierte chemische Modellierung unter Verwendung eines Reaktornetzwerkmodells zur Schadstoffbildungsanalyse umfasst. Zwei unterschiedliche detaillierte Reaktionsmechanismen wurden validiert, wobei beide als geeignet identifiziert wurden, NOx-Emissionen für methanhaltige Gase vorherzusagen. Es wurden drei verschiedene Mischansätze angewendet und validiert, die zeigen, dass die präzise Mischungsdarstellung bei der Modellierung von Gasen mit geringerem CH4-Gehalt entscheidend ist. Es hat sich gezeigt, dass CH4 die Verbrennungskinetik beeinflusst, was zu einer erheblichen Verzögerung der Brennstoffoxidation führt und gleichzeitig die NH3-Zersetzung blockiert. Je später die Zersetzung stattfindet, desto mehr Luft wird im Brennerstrahl mitgerissen, desto mehr Stickstoff wird in NOx umgewandelt. Bei methanreichen Brennstoffen ist der Mischprozess schneller als die Verbrennungskinetik. Die Verbrennung ist kinetisch kontrolliert. Bei methanfreiem Brennstoff erfolgt die Verbrennung sofort – was gemischt wird, wird ebenfalls verbrannt, wodurch das NH3 unmittelbar nach dem Einbringen in die Brennkammer unter brennstoffreichen Bedingungen reagiert. Der gesamte Prozess ist diffusionskontrolliert. Daher ist für methanfreie Gase die richtige Modellierung von Mischungsprozessen entscheidend für korrekte NOx-Vorhersagen.