Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Zündung einzelner Kohlepartikel

Abstract

In theoretischen und experimentellen Grundlagenuntersuchungen an einzelnen Partikeln aus Kohle und ähnlichen Brennstoffen wird schwerpunktmäßig der prinzipielle Effekt der Partikelgröße und Form auf den Zündprozess studiert. Das mathematische Modell dieser Arbeit zur Partikelzündung basiert auf dem von Du und Annamalai veröffentlichten, eindimensionalen Modell und erweitert dieses vor allem um den intrapartikulären Wärme- und Stofftransport. Gute Übereinstimmung der durchgeführten Simulationen mit dem Modell von Du und Annamalai ist hinsichtlich der absoluten Zündverzugszeiten festzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Experimentaufbau zur Laseraufheizung von Festbrennstoffpartikeln entwickelt, in welchem zur Bestimmung der ortsaufgelösten Oberflächentemperatur ein Thermographie-Verfahren auf Basis der Zwei-Wellenlängen Pyrometrie zum Einsatz kommt. Die hiermit durchgeführten Zündexperimente an Modellbrennstoffen für Kohle können mit der in dieser Arbeit entwickelten Theorie generell nachgebildet werden. Mikrogravitationsexperimente zur Zündung einzelner Braunkohlepartikel in einem erprobten Lampenofen zeigen eine Abhängigkeit des Zündprozesses von der Partikelform. Innerhalb der Messfehler stimmen die mit dem Modell dieser Arbeit berechneten, homogenen Zündverzugszeiten mit den gemessenen Zeiten überein. Das in den vorangegangenen Untersuchungen überprüfte Modell dieser Arbeit wird abschließend zur Vorhersage der Zündverzugszeiten von Zylindern gleicher spezifischer Oberfläche aber verschiedenen Länge/Durchmesser-Verhältnissen in einer heißen Umgebung genutzt. Im Gegensatz zu einem üblichen Ansatz, welcher die Partikelform durch einen Formfaktor basierend auf der spezifischen Oberfläche berücksichtigt und für die hier analysierten Zylinder gleiche Zündverzugszeiten vorhersagt, werden mit dem detaillierten Modell dieser Arbeit für technisch relevante Länge/Durchmesser-Verhältnisse deutlich verschiedene Zündverzugszeiten berechnet.