GreenFlame: Schadstoffemissionen und Verbrennungsverhalten CO₂-armer Brennstoffgemische aus Ammoniak, Wasserstoff und Erdgas

Die Dekar­bo­ni­sie­rung der Indus­trie erfor­dert die per­spek­ti­vi­sche Abkehr von fos­si­lem Erd­gas als Ener­gie­trä­ger. Jedoch ist dabei eine flä­chen­de­cken­de Elek­tri­fi­zie­rung der Pro­zes­se in der Ther­mo­pro­zess­tech­nik, Metall­ur­gie und Grund­stoff­in­dus­trie nur ein­ge­schränkt möglich.

Vor die­sem Hin­ter­grund wer­den u. a. Was­ser­stoff, syn­the­ti­sches Erd­gas und Ammo­ni­ak als mög­li­che Ersatz­brenn­stof­fe dis­ku­tiert. Auf­grund der schwan­ken­den Ver­füg­bar­keit nach­hal­ti­ger Ener­gie­trä­ger, wird es jedoch wäh­rend der Trans­for­ma­ti­ons­pha­se bis 2050 vor­aus­sicht­lich nicht zu ver­mei­den sein, Brenn­stoff­ge­mi­sche zu nut­zen, die wei­ter­hin auch Antei­le fos­si­len Erd­ga­ses enthalten.

Die Ver­bren­nung sol­cher Gas­ge­mi­sche ist wis­sen­schaft­lich wenig unter­sucht. Ver­ein­zel­te Stu­di­en an tech­ni­schen Flam­men im Tech­ni­kums­maß­stab sind meist nicht ver­gleich­bar. Gleich­zei­tig ist eine adäqua­te Unter­su­chung und Model­lie­rung jedoch uner­läss­lich, um nach­hal­ti­ge Ther­mo­pro­zes­se im Hin­blick auf Wär­me­frei­set­zung, Flam­men­sta­bi­li­tät und Schad­stoff­emis­sio­nen (NO_x) zu beschreiben.

Auf­ga­ben des IOB

Dem Insti­tut für Indus­trie­ofen­bau der RWTH (IOB) kom­men im Rah­men die­ses Pro­jek­tes meh­re­re essen­ti­el­le Auf­ga­ben zu: Zunächst wird in einer ers­ten Pha­se ein bestehen­der Prüf­stand auf den Betrieb mit Ammo­ni­ak umge­rüs­tet. Dazu wird neben der Aus­ar­bei­tung eines neu­en Sicher­heits­kon­zepts u. a. die Gas­ver­sor­gung um eine Gas­ein­gangs­stre­cke für Ammo­ni­ak, eine Nach­ver­bren­nungs­kam­mer mit Ein­dü­sung von Luft oder Ammo­ni­ak sowie eine tech­ni­sche Nach­ver­bren­nung als Sicher­heits­maß­nah­me gegen Ammo­ni­ak­schlupf ergänzt.
Par­al­lel dazu wird ein nume­ri­sches Modell basie­rend auf einer CAD-Kon­struk­ti­on des Ver­suchs­stands auf­ge­baut und opti­miert um ver­schie­de­ne Ansät­ze einer Ver­bren­nungs­mo­del­lie­rung zu unter­su­chen und ein benut­zer­de­fi­nier­tes Strah­lungs­mo­dell für hohe H₂O‑Abgaskonzentrationen zu implementieren.

Im Zuge der expe­ri­men­tel­len Unter­su­chun­gen wird dann an einem vor­wett­be­werb­li­chen Bren­ner das Zünd­ver­hal­ten der ver­schie­de­nen Brenn­stoff­zu­sam­men­set­zun­gen durch Kalt­start­tests unter­sucht sowie eine Para­me­ter­stu­die zur Bewer­tung ver­schie­de­ner Maß­nah­men zur Stick­oxid­min­de­rung durchgeführt.

Schließ­lich wer­den die Ergeb­nis­se im Rah­men einer nume­ri­schen Simu­la­ti­on zusam­men­ge­führt und aus­ge­wer­tet indem anhand von ver­schie­de­nen Brenn­stoff­zu­sam­men­set­zun­gen die Strö­mungs­ge­schwin­dig­kei­ten, Tem­pe­ra­tu­ren und Schad­stoff­kon­zen­tra­tio­nen model­liert und so die Reak­ti­ons­me­cha­nis­men opti­miert werden.