Untersuchung der brennernahen Prozesse in Flugstromvergasern

Die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen im Energiesystem machen eine CO2-neutrale Bereitstellung von Energie zusammen mit einer Schließung des anthropogenen Kohlenstoffkreislaufs durch eine Wende zur Kreislaufwirtschaft notwendig. Die Flugstromvergasung als Schnittstellentechnologie ist ein wichtiger Baustein für zukünftige Prozessketten in Energieversorgung und chemischer Industrie. Das Verfahren zeichnet sich sowohl durch seine hohe Flexibilität auf der Einsatzstoffseite (Biogene Reststoffe, Kunststoffabfälle, etc.) als auch durch die große Bandbreite der Nutzungsmöglichkeiten des erzeugten Synthesegases (Chemikalien, Kraftstoffe, Polymere etc.) aus. Das Synthesegas, ein Gemisch aus CO und H2, wird im Vergasungsprozess durch eine partielle Oxidation der Einsatzstoffe gewonnen. Dieses kann beispielsweise im Fischer-Tropsch-Prozess zu einem erneuerbaren flüssigen Kraftstoff gewandelt werden.

Im Flugstromvergaser des am KIT entwickelten bioliq-Verfahrens wird zunächst der flüssige Brennstoff zusammen mit dem Vergasungsmedium (O2, H2O) zu einem feinen Spray zerstäubt. In einer das Spray umgebenden heißen Zone finden bei Temperaturen über 1200°C anschließend zahlreiche thermochemische Prozesse überlagert statt. Dazu gehören einerseits endotherme Vorgänge wie Tropfenverdampfung, Sekundärpyrolyse und Vergasungsreaktionen, andererseits auch exotherme Oxidationsreaktionen, die Wärme für die anderen Teilprozesse bereitstellen. Für den Betrieb und die Auslegung von Flugstromreaktoren ist ein detailliertes Verständnis dieser Teilprozesse und deren Wechselwirkung essentiell.

Ziel bei der Flugstromvergasung ist das Erreichen eines vollständigen Kohlenstoffumsatzes bei möglichst geringer Produktion von Schadstoffen im Synthesegas, um eine möglichst direkte Nutzung des Synthesegases in katalytischen Reaktoren zu ermöglichen. Eine entscheidende Stellgröße zur Steuerung dieser Vorgänge ist die Konzeption der Brennerdüse, wodurch Strömungsfeld, räumliche Verteilung der Brennstofftropfen, sowie Struktur und Stabilität der Reaktionszonen bestimmt werden.

Zur Untersuchung dieser Vorgänge muss aufgrund der im Reaktor herrschenden Bedingungen neben konventioneller invasiver Analytik (Online FID, GC, Thermoelemente, Partikelabsaugung) auch auf nicht-invasive optische Messtechniken zurückgegriffen werden. Hierfür steht mit dem Flugstromvergaser REGA (https://www.itc.kit.edu/1000.php) am Institut für Technische Chemie, ITC vgt (https://www.itc.kit.edu/57.php) eine Anlage im Technikumsmaßstab zur Verfügung. Zum Einsatz kommt hier neben Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) zur Bestimmung von Strömungsfeld und Tropfengrößenverteilung auch die Messung von Laserinduzierter Fluoreszenz, um über charakteristische Zwischenprodukte einzelne Teilprozesse zu lokalisieren und die Umsetzung des Brennstoffes im Reaktor zu untersuchen.

Arbeitschwerpunkte

• Grundlagen der Flugstromvergasung von flüssigen und Suspensionsbrennstoffen aus biogenen und anthropogenen Einsatzstoffen (-> Poster)
• Anwendung (Laser-)optischer Messmethoden zur Charakterisierung der physikalischen und thermochemischen Prozesse in der Flammenzone (-> Poster)
• Modellierung des Brennstoffumsatzes der festen und flüssigen Phase
• Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Brennstoffumsatz und Konzeption der Brennerdüse

Anlagen:
REGA https://www.itc.kit.edu/1000.php

Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite der Arbeitsgruppe Vergasungstechnologie am Institut für Technische Chemie (ITC) https://www.itc.kit.edu/57.php