Synopse 1874

Untersuchungen zur RUB- und Kohlenwas- serstoff-Bildung aus gasformigen Brenn- stoffen in einem turbulent durchstromten Pfropfenstromungsreaktor*

Michael Huth und Wolfgang Leuckel**

1 Problemstellung

Der RuRgehalt von technischen Flammen und Vergasungsstufen ist fur die Praxis aus zweierlei Grunden von Bedeutung. FlammenruR er- hoht die Emissivitat einer Flamme und beeinfluat somit ihr Strah- lungsverhalten und damit ihre Warmeabgabe. Nicht abgebrannter RuR ist eine unerwunschte Komponente im Abgas. Gesicherte, allge- meine Ansatze zur Vorausberechnung von RuRkonzentrationen in technischen Flammen gibt es bisher nicht. In dieser Arbeit wird versucht, einen Beitrag zur Berechenbarkeit der RuRbildung zu leisten, indem unter experimentell wohldefinierten Bedingungen RuRwachstumsraten gemessen werden. Dazu werden die Reaktionsbedingungen technischer Diffusionsflammen in einem turbulent durchstromten Pfropfenstromungsreaktor nachgebildet.

2 MeBprinzip und Versuchsaufbau

Im unteren Teil des Pfropfenstromungsreaktors (Abb. 1) wird durch Verbrennung von Erdgas ein heil3er Abgasstrom erzeugt. Dieser Ab-

Sonden Konzentration. Temperatur, Versuchsparameter Partikelgrone

Abgasdurchsatz 40 80rnYh

Luf tzahl

Verweilzei t

Y runbildender Kohlen- wosser stoff

Abb. 1. Anlagenschema des Pfropfenstromungsreaktors.

* Vortrag von M. Huth auf dem Jahrestreffen der Verfahrens- Ingenieure, 27. bis 29. Sept. 1989 in Berlin.

** Dip1.-Ing. M. Huth und Prof. Dr.-Ing. W. LeuckeL, Engler-Bunte- Institut, Bereich Feuerungstechnik, Universitat Karlsruhe, Post- fach 69 80. 7500 Karlsruhe 1.

gasstrom tritt mit Temperaturen zwischen 1000 und 1 300 OC in das eigentliche Reaktionsrohr ein. In das untere Ende dieses Reaktions- rohres ragt eine Injektorlanze hinein, an deren oberen Ende sich eine Duse befindet. Durch diese Duse wird senkrecht zur Hauptstro- mungsrichtung der ruRbildende Kohlenwasserstoff eingemischt. Als maagebliche Parameter fur die RuRbildung werden der Sauerstoffge- halt der vorgelegten Flammenatmosphare und die Brennstoffanfangs- konzentration variiert. Stromabwarts der Eindusstelle werden die Temperatur, die RuRkonzentration, die PartikelgroOenverteilung und die Konzentrationen der Hauptkomponenten und der begleitend ge- bildeten Kohlenwasserstoffe in Abhangigkeit von der Verweilzeit langs des Reaktionsrohres gemessen.

3 Ergebnisse

In den Abb. 2a bis d sind die Verlaufe dieser GroRen als Funktion der Hohe iiber der Eindiisstelle fur die Eindusung zweier verschiedener Propan-Strome dargestellt.Die Abb. 2a, b zeigen die Hauptkompo- nenten und die Temperatur, die Abb. 2c, d die Kohlenwasserstoffe und den RuR. Der vorgelegte Abgasstrom hat einen Restsauerstoffge- halt von 5,21 Yo, entsprechend einer Primarluftzahl ;II = 1,38. In den Abb. 2b, d ist das gegenuber den Abb. 2a, c mit &I = 0,399 fettere Ge- misch dargestellt mit einer Propan-Anfangskonzentration [C3H8]” von 2,91% entsprechend einer Sekundarluftzahl ,$I von 0,304. Die Sekundarluftzahl ist das Verhaltnis von Restsauerstoff im Abgas zur

____ ’ 1 0 10 30 50 70

70 0

600

500

wx)

1

(b l

300

200

100

10 30 50 70[cml 10 30 50 7 0 k m l 16 38[msl 17 40[msl

Hahe/Zeit Hohe/ Zeit

Abb. 2. a, b: Abhangigkeit der Konzentration der Hauptkomponen- ten, c, d: Abhangigkeit der RuRkonzentration und der Kohlenwasser- stoff-Konzentration von der Hohe iiber der Eindusstelle, mit X sind die Konzentrationen im anstromenden Abgas gekennzeichnet; a, c: Vsr = 2 rnhib, [C3H8]” = 2,22%, hI = 0,399; b, d: V,,, = 2,65 mh/h, [C3H8l0 = 2,91%, A,, = 0,304; [OJ = 5,2%, 70 cm a 40 ms.

574 Chem.-1ng.-Tech. 62 (1990) Nr. 7, S. 574-575 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1990 0009-286X/90/0707-0574 $ 3.50 + .25/0

fur die vollstandige Verbrennung des Propans benotigten Sauerstoff- menge:

Der fettere Fall zeichnet sich vor allem durch eine sehr vie1 grodere RuSwachstumsrate und hohere Konzentrationen der Pyrolysepro- dukte (Ethin und Methan, in Spuren Ethen) aus. Thermodynamische Rechnungen bestatigen, daB sich das Flammengas auRerhalh des ther- modynamischen Gleichgewichts befindet. Ein aus der Literatur ent- nommener Rekationsmechanismus [ 13 fur die Kinetik der Propan- Verbrennung und -Pyrolyse erlaubt die naherungsweise Beschrei- bung der gebildeten Gaskomponenten. Es bestatigt sich auBerdem, daS der in H,O und CO, gebundene Sauerstoff nur unwesentlich mit dem eingemischten Brennstoff reagiert. Die RuBwachtumsrate ist in den im Reaktor zur Verfiigung stehenden Verweilzeiten von ca. 40 ms in guter Naherung konstant (Abb. 2). Variiert man den Restsauerstoffgehalt im anstromenden Abgas, so zeigt sich,'daB dieser (d. h. h I ) und die Propan-Anfangskonzentration die gebildete RuBmenge bestimmen. Dieser gemeinsame EinfluB ist in Abb. 3 als Hohenliniendiagramm dargestellt. Die Hohenlinien kennzeichnen den Ort gleicher RuBkonzentration cR (Zahlenangabe in rngirnh) in der [C,H,]O/h,,-Ebene. Die RuRkonzentrationen wur- den bei einer Verweilzeit von 40 ms gemessen. Sie sind direkt propor- tional zur konstanten RuRwachstumsrate. Die Linien gleicher [ O J - Konzentration des Abgases sind gestrichelt eingezeichnet. Die Tem- peratur variierte zwischen 1160 und 1360 OC. Bezuglich des Einsetzens der RuBbildung ergeben sich untere Grenz- werte fur die [C3Hx]O-Konzentration und obere Grenzwerte fur die Sekundarluftzahl hl. Jenseits dieser Grenzwerte ist ein starker An- stieg der RuBkonzentrationen zu erkennen. Fur kleine %I-Werte wird der [C3H8]O-Grenzwert tendenziell unabhangig von h1, entsprechend einem konstanten Umsatz des Brennstoffes zu RUB. Fur groBe Luft- zahlen (hI > 0,55) ist umgekehrt kein EinfluB der Brennstoffkonzen- tration mehr vorhanden, und das Einsetzen der RuRbildung hangt nur von der Luftzahl ab (entsprechend den Ergebnissen in laminaren Vor- mischflammen, siehe z. B. [2]).

4 ForrnelmaBige Beschreibung der gefundenen Ru6wachsturnsraten

Fur die praktische Anwendung bezuglich der RuBbildung in techni- schen Flammen mussen die gefundenen Einflusse auf die RuBbil- dungsraten formelmaBig erfaBt werden. Hierzu wurden zwei ver- schiedene, sich einander erganzende Ansatze angewendet. Zum ersten konnen die RuRwachstumsraten mit GroBen verknupft werden, die das Ausgangsgemisch (vor Reaktion des Brennstoffes) charakterisieren. Dies sind, wie oben gezeigt wurde, die Brennstoff- konzentration und die Sekundarluftzahl, wohei der EinfluB der Tem- peratur (vorlaufig) vernachlassigt wurde. Beschreibt man den EinfluB der Sekundarluftzahl durch die zugehorige stochiometrische Propan- Konzentration, so laat sich der formal f i r die Pyrolyse zur Verfiigung stehende Propan-UberschuB [C,Hx] - [C3Hx]st6ch berechnen. Fur die angefuhrten Messungen laBt sich cR I ([C,Hx] - [C3Hx]st6ch - A[C3Hx],in)2 beschreiben. A[C3Hs],in, der minimal zur RuBbildung erforderliche BrennstoffuberschuB, wurde zu 0,8 % bestimmt. Der zweite Ansatz besteht darin, die Wachstumsrate mit lokalen, d. h. das Abgas nach Reaktion des Brennstoffes charakterisierenden Gro- Ben zu verknupfen. Die hauptsachlichen EinfluBgroBen sind hierbei die Konzentrationen der als Pyrolyseprodukte gebildeten Kohlen- wasserstoffe, die Temperatur und die lokal vorhandene RuRoberfla- che. Prinzipiell muB der RuBvolumenzuwachs durch ,Aufwachsen" von gasformigen Kohlenwasserstoffen auf den vorhandenen RUB er- folgen. Dies kann physikalisch durch die kinetische Gastheorie be- schrieben werden (siehe auch [ 3 ] ) :

3.00

- R 2.50 Y

C 0 .- a

P : 2.00 w

C 0 Y C

0 Q

1.50

1 .oo 020 0 30 0 40 0 50 0 60

Sekundarluftzahl A11

Abh. 3. RuBkonzentration als gemeinsame Funktion von Propan- Konzentration und Sekundarluftzahl.

ci wi . -- So d c R = l F dt 4 K Mi

Die RuBoberflache pro Raumvolumen So wurde aus Messungen der PartikelgroBenverteilung bestimmt, und hieraus wurde die oberfla- chenbezogene Wachstumsrate berechnet, die die linke Seite obiger Gleichung bildet (cR RuBmassenkonzentration). Die rechte Seite stellt das Produkt aus der thermischen Geschwindigkeit der Gasmole- kiile i (R Gaskonstante, TTemperatur, Mi Molmasse der Komponente i), ihrer Massenkonzentration ci und ihrer Reaktionswahrscheinlich- keit beim StoB wi dar. Fur die auftretenden Pyrolyseprodukte C,H,, CH, und C,H, liegt wi zwischen lo-' und lo-,. Jede der angefuhrten Komponenten konnte also grundsatzlich den beobachteten RuBvolu- menzuwachs fur sich allein verursachen. Wahlt man fur die Tempera- turahhangigkeit von wi einen Arrhenius-Ansatz der Form wi =

exp(-Ei/RT), so erhalt man fur jede Komponente jeweils eine Akti- vierungsenergie fur den Temperaturbereich der Experimente. Falls die Gasphasenzusammensetzung reaktionskinetisch befriedigend ge- nau beschrieben werden kann, ist es mit einem solchen Ansatz mog- lich, lokale Wachstumsraten in technischen Flammen zu beschreiben. Es muB allerdings einschrankend bemerkt werden, daS eine oberfla- chenproportionale Beschreibung des RuSwachstums in anderen Ex- perimenten [4] zu widerspruchlichen Ergebnissen fuhrte. Messungen in einern groReren Temperaturbereich mussen zeigen, ob sich der an- gefiihrte Ansatz auch fur andere Temperaturen aufrecht erhalten IaBt.

Die vorgestellten Arbeiten wurden im Rahrnen des Sonderfor- schungsbereiches 167 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziell gefordert. Eingegangen am 26. Marz 1990

[l] Westbrook, C. K.; Pitz, W. J.: Combust. Sci. Technol. 37 (1984) S.

[2] Haynes, B. S.; Wagner, H. G.: Prog. Energy Combust.Sci. 7 (1981)

[3] Bockhorn, H.: 20. Symposium (Int.) on Combustion, Pittsburgh

[4] Wieschnowsky; U.; Bockhorn, H.; Fetfing, F.: 22. Symposium (Int.)

1171152.

S. 2291273.

1984, S. 979/988.

on Combustion, Pittsburgh 1988, S. 343/352.

Schliisselworte: RUB, RuBbildung, Kohlenwasserstoff-Bildung, RuB- oberflachenwachstum, Pyrolyse, partielle Oxidation, Pfropfenstro- mungsreaktor.

Chem.-1ng.-Tech. 62 (1990) Nr. 7, S. 574-575 575