Der LEAT verfügt über eine Vielzahl von Versuchsanlagen zur Charakterisierung des Transports und Umsatzverhaltes fester Energieträger. Dazu gehören u.a.:
Der Reaktor erlaubt die Untersuchung des thermochemischen Umsatzes einzelner ortfester thermisch dicker Partikel komplexer Form in einer Heißgasatmosphäre (Temperatur und Zusammensetzung der Gasatmosphäre können variiert werden, Oxyfuel-Atmosphären sind möglich). Die optische Beobachtung des Partikels mittels zweier Hochgeschwindigkeitskameras, die im Winkel von 90° angeordnet sind, erlaubt die Verfolgung des Partikelumsatzes. Hieraus können Zeitskalen für die Umsetzung der flüchtigen Bestandteile und des Koksabbrandes ermittelt werden. Die Partikeltemperatur wird durch Verhältnispyrometrie bestimmt. Die Sauerstoffkonzentration im Abgas wird mit einem in-situ-Laser bestimmt. Die Messung der Sauerstoffkonzentration erfolgt mit einer Rate von 1 Hz. Die Anlage wird z.B. benutzt, um den Umsatz von Ersatzbrennstoffen, wie sie z.B. in der Zementindustrie Anwendung finden, zu untersuchen.
Ansprechpartner: M.Sc. Robin Streier
Um den Einfluss von Betriebsbedingungen (Temperatur, Gasatmosphären) auf die thermochemische Umsetzung fester und flüssiger Stoffe (staubförmige Partikel, Tropfen) zu untersuchen, steht am Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik ein isothermer Fallrohrreaktor zur Verfügung.
Die Reaktionszone des Stufenreaktors besteht aus einem vertikal angeordneten, zylindrischen Keramikrohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm und einer Gesamtlänge von 2 m. 56 tangentiale Heizelemente aus Siliziumkarbid garantieren eine einheitliche Temperatur des Reaktionsrohres. Um eine individuelle Wärmezufuhr für jede Zone zu ermöglichen, sind die Heizelemente in sechs unabhängige Reglerzonen aufgeteilt. Die maximale Arbeitstemperatur beträgt 1300 °C. Abhängig vom zugeführten Gasvolumenstrom kann die Verweilzeit der Partikel/Tropfen zwischen 1 und 6 s variiert werden. 16 über die Brennkammerhöhe verteilte Messöffnungen ermöglichen die Bestimmung der Gaskonzentrationen und der Gastemperatur.
Zusätzlich können Proben entnommen werden, um z. B. Aussagen bezüglich des Umsatzes zu treffen. Über diese Öffnungen können darüber hinaus sekundäre Betriebsstoffe sowie Additive zugegeben werden.
Festoffdosierungsmöglichkeiten über Schnecken oder geeignete Zerstäbungsdüsen für flüssige Stoffe sind verfügbar. Die Zusammensetzung der Gasatmosphäre kann entweder durch die Zugabe eines heißen oder kalten Gases, durch zwei Erdgasbrenner oder durch Zugabe von Zusatzgasen variiert werden.
Das Design des Reaktors liefert eine eindimensionale Pfropfenströmung mit vernachlässigbaren radialen Gradienten, was in früheren Untersuchungen bestätigt wurde. Daher gibt es einen direkten Zusammenhang zwischen Gasverweilzeit und Abstand von Partikel/Tropfenzugabe. Die folgenden Betriebsparameter können dabei variiert werden:
Gasanalytik
Zur Messung der Gaskomponenten kommen zehn verschiedene Prozessgasanalysatoren zum Einsatz. Möglich ist die Messung von CO, CO2, CxHy, NH3, HCN. Über pressluftgekühlte Sonden werden die Gasproben isokinetisch aus den Brennkammern abgezogen.
Ansprechpartner: B.Sc. Linus Pölling
Der LEAT verfügt über einen Fallschacht, welcher zur aerodynamischen Charakterisierung von Ersatzbrennstoffen (EBS) über eine kamerabasierte Methode dient und in der Sonderversuchshalle der RUB befindlich ist. Über ein Förderband werden die EBS-Partikel zum Kopf des Fallschachts transportiert und fallen anschließend vereinzelt durch ein Rohr, welches eine zusätzliche Wegstrecke zum Erreichen des endbeschleunigten Zustands bereitstellt, in das Innere des Fallschachts. Innerhalb des Fallschachts werden die Flugbahnen der Partikel durch zwei stereoskopisch angeordnete Kameras erfasst. Durch Kenntnis um die Bildaufnahmerate ist es ebenso möglich die Sinkgeschwindigkeiten der Partikel zu ermitteln. Zusätzlich werden über eine dem Fallschacht vorgelagerte Photogrammetrie-Station 3D-Modelle der Partikel erstellt, die zur Bestimmung der entsprechenden Anströmflächen innerhalb der Fallschachtversuche genutzt werden. Mit Hilfe der ermittelten Anströmflächen und der Sinkgeschwindigkeiten werden Häufigkeitsverteilung der Widerstands- und Auftriebsbeiwerte des eingesetzten Brennstoffes abgeleitet. Diese werden für CFD-Simulationen des Flug- und Abbrandverhaltens von EBS herangezogen.
Die Wände des Fallschachts sind schwarz gestrichen, um einen möglichst hohen Kontrast zwischen dem angeleuchteten Partikel und dem Hintergrund sicherzustellen. Das Beleuchtungssystem besteht aus 18 LED-Modulen (104.400 lm Gesamtlichtstrom) und ist am oberen Ende des Fallschachts installiert. Am unteren Ende befindet sich eine Schublade mit abgeschrägten Paneelen an denen die Partikel, nach Durchquerung des Fallschachtes, in die Schublade entlanggleiten und damit außerhalb des Kamerasichtfeldes liegen. Dies ist wichtig, um nur ein Partikel pro Messreihe durch die Kameras erfassen. Zur Aufnahme der Messreihen werden zwei Hochgeschwindigkeitskameras der Firma Baumer (VLXT-28 M.I, 500 fps bei 1920 x 1080 px) verwendet. Die Strecke zwischen den Kameras und dem oberen Ende der Schublade beträgt 4,8 m. Die Querschnittsfläche innerhalb des Fallschacht ist 0,83 m x 0,83 m.
Ansprechpartner: M.Sc. Robin Streier
Um den Einfluss der Betriebsbedingungen und der Brennstoffeigenschaften auf den Brennstoffumsatz und die Bildung von Schadgasen in der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung zu untersuchen, steht am Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik eine Technikumsanlage mit einer thermischen Leistung von 100 kW zur Verfügung.
Die Gesamthöhe der Brennkammer beträgt rund 6 m. Die Gasgeschwindigkeiten liegen in der Brennkammer zwischen 1,8 m/s und 2,5 m/s, so dass Verweilzeiten bis zu 3 s realisiert werden können.
Die Zuführung der Betriebsstoffe, wie z.B. Kohle, Biomasse, Klärschlamm, Quarzsand und Kalk, erfolgt mit Hilfe von kalibrierter Dosierschnecken Zusätzlich wurde ein Dosiersystem integriert, mit dem es möglich ist, schwer zu dosierende Materialien wie Textilabfälle der Brennkammer zuzuführen. Für die Dosierung von flüssigen Brennstoffen wie z.B. Schweröl ist die Anlage mit einem beheizbaren Tank und einer Eindüsungslanze ausgerüstet.
Die Brennkammertemperatur kann durch Variation der Kühlleistung der in die IWrbelschicht eigetauchten Heizflächen eingestellt werden. Die Aufheizung und das Warmhalten der Brennkammer erfolgt über einen Erdgaszündbrenner.
Die Zuführung von Primärluft, Stufenluft und rezirkuliertem Rauchgas erfolgt jeweils über ein separates Gebläse und einen eigenen Gasvorwärmer. Die Gasvorwärmer ermöglichen eine Vorwärmung der Luft bzw. des rezirkulierten Abgases auf bis zu 430 °C. Die Sekundärluft kann der Brennkammer auf fünf verschiedenen Ebenen getrennt mengengeregelt zugeführt werden. Durch das Zumischen von rezirkuliertem Rauchgas können unterstöchiometrische Bedingungen in der Primärzone eingestellt werden, ohne die Brennstoffmenge und die Fluidisierungsbedingungen zu verändern.
Zur Entnahme der Rauchgasproben sind entlang der Brennkammer 19 Messöffnungen verteilt. Mit Hilfe der Rauchgasanalytik können die Gaskonzentrationen der Stoffe O2, CO2, CO, CXHY, H2, SO2, NOX, N2O und NH3 über die gesamte Brennkammerhöhe gemessen werden.
Feuerungstechnische Parameter
Zur Minimierung der Schadstoffemissionen bei Verbrennungsversuchen bietet die Anlage eine große Anzahl unabhängig voneinander veränderbarer feuerungstechnischer Parameter. Im Einzelnen können folgende Parameter variiert werden:
Ansprechpartner: M.Sc. Christoph Yannakis
Der LEAT besitzt eine nicht-zirkulierende Wirbelschicht zu Untersuchung der zyklischen Oxidation und Reduktion von Eisenerzen.
Die Anlage hat eine Leistung von ca. 5 kWh. Der Reaktor wird elektrisch beheizt (Tmax = 1200 °C) und kann mit Oxidationsmitteln wie Luft, Sauerstoff und Wasserdampf sowie mit inerten Gasen oder Wasserstoff (Reduktion von Eisenerz) zur Fluidisierung des Bettmaterials betrieben werden. Das System ist mit Sensoren zur Messung der Temperatur- und Gaszusammensetzung sowie zur Entnahme von Bettmaterial ausgestattet.
Ansprechpartner: M. Sc. Christoph Yannakis
Der Flashpyrolsereaktor erlaubt die Untersuchung der Pyrolyse fester organischer staubförmiger Materialien wie z.B. Biomasse.
Ansprechpartner: M.Sc. Erik Freisewinkel
In der BORA-Versuchsanlage kann der Abbrand fester, biogener Brennstoffe im Batchbetrieb experimentell untersucht werden.
Dazu wird der Brennstoff im Rohzustand in den Brennteller gegeben, der in einen aus Quarzglas gefertigten Brennraum gefahren wird. Dort wird der Brennstoff durch Strahlungswärme von den beheizten Wänden des Brennraums erwärmt und zur Zündung gebracht. Die Anlage erlaubt eine Variation der Luftstufung (Primär- und Sekundärluft) sowie eine Schürung des Brennbetts. Zur Umsetzung der Schürung sind zwei der drei Bodenelemente des Brenntellers in vertikaler Richtung verfahrbar. Während der Versuche werden die Gasphasenzusammensetzung und verschiedenen Temperaturen gemessen. Weiter wird mit einer Waage kontinuierlich die Brennbettmasse gemessen, wodurch es möglich ist, die Massenumsatzraten des Brennstoffes zu ermitteln. Zur optischen Auswertung werden die Versuche mit einer IR-Kamera und einer Videokamera aufgezeichnet.
Ansprechpartner: M.Sc. Carl Hentschel
Die Brennstoffanalyse umfasst die Immediatanalyse, die Elementaranalyse, die Bestimmung des Brennwertes sowie das Ascheschmelzverhalten und eine Siebanalyse. Bei den Bett- und Flugaschen werden Glühverlustbestimmungen und vereinzelt auch Elementaranalysen durchgeführt. Um die Analysen vergleichbar zu machen, werden die Messwerte auf die Bezugszustände roh (roh), analysenfeucht (an), wasserfrei (wf) sowie wasser- und aschefrei (waf) bezogen.
Immediatanalyse (Kurzanalyse)
Die Immediatanalyse beinhaltet die Bestimmung des Wasser- und Aschegehaltes sowie der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffes.
Der Wassergehalt wird mit Hilfe des Trockenschrankverfahrens nach DIN 51718 bestimmt. Dabei wird zunächst die grobe Feuchtigkeit (Oberflächenwasser) der Brennstoffprobe ermittelt, indem diese bei (30 ± 2) °C bis zur Massenkonstanz getrocknet wird (analysefeuchter Zustand). Zur Bestimmung der Hygroskopischen Feuchte, die unter gegebenen Bedingungen gleich der Analysenfeuchte ist, wird die bei (30 ± 2) °C getrocknete Probe drei Stunden bei (106 ± 2) °C getrocknet und in den wasserfreien Zustand überführt. Der Wassergehalt ergibt sich aus der Gewichtsdifferenz vor und nach der Trocknung.
Der Aschegehalt wird nach DIN 51719 in einem Muffelofen ermittelt. Die Brennstoffprobe wird mit vorgeschriebener Aufheizrate in oxidierender Atmosphäre erst auf 500 °C und danach auf (815 ± 10) °C erhitzt und bei dieser Temperatur mindestens eine Stunde belassen. Danach wird die vollständig veraschte Probe abgekühlt und rückgewogen. Der Aschegehalt ergibt sich aus dem Quotienten des trockenen Probengewichts nach und vor der Verbrennung.
Die Bestimmung des Gehaltes an flüchtigen Bestandteilen erfolgt nach DIN 51720 ebenfalls in einem Muffelofen. Der Brennstoff wird sieben Minuten bei (900 ± 10) °C verkokt. Die Erhitzung unter Luftabschluss erfolgt in einem Tiegel mit Deckel. Der um die Analysefeuchtigkeit verminderte Gewichtsverlust entspricht dem Anteil der flüchtigen Bestandteile.
Der Anteil des festen Brennstoffes (C-Fix) lässt sich als Differenz zwischen dem Gewicht der Urprobe und den summierten Anteilen von flüchtigen Bestandteilen, Wasser und Asche berechnen.
Die Analyse kann alternativ mit einem thermogravimetrischen Analysesystem (LECO TGA-601) in Anlehnung an die entsprechenden DIN-Normen durchgeführt werden. Hierbei wird die Änderung der Probenmasse in Abhängigkeit von der Temperatur und Zeit in unterschiedlichen Atmosphären automatisch registriert und ausgewertet.
Elementaranalyse
Mit Hilfe der Elementaranalyse werden feste Brennstoffe auf ihre elementare Zusammensetzung hin untersucht. Die Gewichtsanteile der Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel werden mit Hilfe eines automatischen Elementaranalysegerätes (LECO TrueSpec CHNS Micro) bestimmt und der Sauerstoffgehalt als Rest errechnet. Die Proben werden in reinem Sauerstoff vollständig verbrannt. Die Verbrennungsprodukte CO2, SO2 und H2O werden mittels Infrarot-Absorption gemessen. Die N2-Konzentration wird mittels einer Wärmeleitfähigkeitsmessung bestimmt, nachdem die bei der Verbrennung entstandenen Stickoxide katalytisch zu N2 reduziert wurden. Von jeder Brennstoffprobe werden standardmäßig fünf Analysen durchgeführt.
weitere Brennstoffanalysen
Der Brennwert der Brennstoffe wird in einem Bombenkalorimeter der Firma IKA (Typ C200) nach DIN 51900 unter isoperibolen Bedingungen bestimmt. Dabei wird eine Brennstoffprobe in einem geschlossenen Gefäß unter reiner Sauerstoffatmosphäre bei einem Druck von 30 bar verbrannt. Aus der Temperaturerhöhung des Systems, dem Gewicht der Probe und der Wärmekapazität des Kalorimetersystems lässt sich der Brennwert errechnen. Unter Hinzunahme der Ergebnisse der Elementar- und Immediatanalyse wird der Heizwert errechnet.
Die Korngrößenverteilung der festen Brennstoffe wird mit Hilfe einer Siebung gemäß DIN 66165 ermittelt. Hierfür wird eine Schwingsiebmaschine der Firma Haver (Typ EML 200-80) eingesetzt.
Die Glühverlustbestimmung der Ascheproben geschieht analog zur Bestimmung des Aschegehaltes durch Verbrennung der Probe bei 815 °C gemäß DIN 51719.
Das Ascheschmelzverhalten wird nach DIN 51730 mithilfe eines Leitz-Erhitzungsmikroskops ermittelt. Die Probe wird zunächst nach DIN 51719 verascht und die entstandene Asche zu einem zylindrischen Probenkörper verpresst. Dieser wird anschließend in einem Ofen in oxidierender Atmosphäre mit konstanter Heizrate (3...10 K/min) erhitzt. Es werden die Erweichungstemperatur (Rundwerden der Kanten), die Sphärischtemperatur (kugelähnliche Form, Grundlinie des Korpus ist so lang wie seine Höhe), die Halbkugeltemperatur (Grundlinie des Korpus ist doppelt so lang wie seine Höhe) und die Fließtemperatur (Probenkörper ist auf ein Drittel der ursprünglichen Höhe auseinander geflossen) bestimmt.
Ansprechpartner: Dipl.-Phys. Dr. habil. Martin Schiemann
Der LEAT besitzt einem optisch zugänglichen laminaren Flugstromreaktor.
Basierend auf einem nicht vorgemischten Hencken-Brenner, wird das Brenngas (Methan und Acetylen) zusammen mit CO2 durch 100 Injektionsröhrchen in den Brenner aufgegeben. Das Oxidationsmittel, ein O2-CO2-H2O-Gemisch, wird über eine Keramikwabe (50 x 50 mm) mit 400 quadratischen Löchern aufgegeben. Durch die Keramikwabe werden die Brennstoffröhrchen in Position gehalten und das Oxidationsgemisch wird homogen im Brennraum verteilt. Die Gastemperatur lässt sich mit einem Thermoelement Typ S mit Strahlungskorrektur messen. Als Brennstoff werden staubförmige Partikel eingesetzt, die vereinzelt in der Gasatmosphäre reagieren. Die reagierenden Partikel können optisch mit verschiedenen Methoden untersucht werden. Es können Partikelgröße- und Form, Geschwindigkeiten und Temperatur ermittelt werden. Rußkonzentrationsmessungen um das Partikel kann durch LII (Laserinduzierte Inkandeszenz) bestimmt werden. Parallel zur optischen Messung kann eine Probenahme nach unterschiedlichen Partikelreaktionszeiten (Aufenthaltszeiten) erfolgen.
Ansprechpartner: M.Sc. David Tarlinski
Der LEAT besitzt einen Versuchsstand, in dem die spektralen, normal gerichteten Emissionsgrade von festen Oberkörper oder Pulvern bestimmt werden können.
Die Anlage am Lehrstuhl besteht aus einem Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FT-IR) und einer elektrischen Heizeinheit. Die Heizeinheit umfasst den Probenhalter und den Referenzstrahler, einen Schwarzkörper. Für die Messungen werden Proben in den Probenhalter auf dem Schwarzkörper gelegt. Die Heizeinheit ist über einen goldbeschichteten Off-Axis-Parabolspiegel mit einem FT-IR-Spektrometer verbunden. Die Temperatur der Probe wird durch zwei Typ-K-Thermoelemente (0,25 mm Durchmesser) bestimmt. Diese sind 1 und 2 mm unter der Probenoberfläche (in der zentralen Achse der scheibenförmigen Probe) installiert. Die Probenoberflächentemperatur wird berechnet, indem ein lineares Temperaturprofil über die Probenhöhe postuliert wird (die Gültigkeit dieser Annahme wurde durch die Lösung der 3D-Wärmeleitungsgleichung in der Probe überprüft). Für Schwarzkörper-Referenzmessungen wird der Probenhalter entfernt und der Schwarzkörper wird nach oben gehoben, bis seine Öffnung in der gleichen Position ist, wo zuvor die Mineralprobe lag. Der Referenzstrahler (Schwarzkörper) ist als zylindrischer Hohlstrahler ausgelegt (Hohlraumdurchmesser 5 mm, Hohlraumlänge 135 mm) mit einer Emissivität > 0,9985. Die Temperatur des Schwarzkörpers wird durch Thermoelemente bestimmt.
Ansprechpartner: M.Sc. Matthias Tyslik
Der LEAT besitzt ein Labor, in dem das Transport- und Bruchverhalten von Holzpellets untersucht werden kann. Dieses Labor beinhaltet die folgenden Versuchsanlagen und Messeinrichtungen:
Ansprechpartner: M.Sc. Phil Spatz
Der CO2-Laser-Prüfstand des LEATs ermöglicht Einblicke in die Partikelbildung von Metallchloridtropfen. Mittels eines akustischen Levitators wird ein Feld initialisiert, in dem die Tropfen einer wässrigen Metallchloridlösung bis zu einem Durchmesser von 1700 µm zur Schweben gebracht werden können. Diese Tropfen werden von einem CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm und einer Leistung von bis zu 40 W zur Reaktion gebracht. Das Wasser verdampft und das Metallchlorid reagiert zu einem Metalloxid. Die Durchmesseränderung während dieses Vorganges wird optisch erfasst. Hierbei sind Aufnahmeraten bis zu 40 Hz möglich. Aus den resultierenden Bildern lassen sich Erkenntnisse über die Zeitskalen der Partikelbildung gewinnen. Dies ist eine wichtige Größe, die zur Entwicklung von physikalisch-chemischen Modellen der Sprühröstung von Metallchloriden genutzt werden kann.
Ansprechpartner: B. Sc. Linus Pölling
Weitere Versuchsanlagen sind verfügbar, bei Fragen wenden Sie sich bitte an Herrn Dr. habil. M. Schiemann
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Letzte Änderung: 16. Sep. 2024
