Forscher untersuchen kombinierte Auswirkungen zweier Verbrennungstechnologien auf den Kohleausstoß

Jan 14, 2024

16. März 2023

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von der Pusan ​​National University

Um den weltweiten Bedarf an Stromerzeugung zu decken, gibt es schon seit langem Kohlekraftwerke. Es erübrigt sich zu erwähnen, dass an dieser Front Bedenken hinsichtlich der Umwelt und der menschlichen Gesundheit berücksichtigt werden müssen. Während es fortlaufende Bemühungen gibt, auf erneuerbare Energiequellen umzusteigen, ist es möglich, dass Kohlekraftwerke noch nicht veraltet sind.

Vor diesem Hintergrund ist es wichtig zu untersuchen, wie die Effizienz dieser kohlebefeuerten Kessel verbessert werden kann und gleichzeitig ihre schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt, nämlich Treibhausgasemissionen, sauren Regen und die Entstehung von photochemischem Smog, sowie auf die menschliche Gesundheit gemindert werden können.

Zu diesem Zweck wurden verschiedene Verbrennungsmethoden wie Luftstufung und Wirbelströmung vorgeschlagen. Die Wirksamkeit dieser Technologien bei der Minderung der Schadstoffemissionen bei gleichzeitiger Maximierung der Ausbrennleistung ist jedoch weiterhin unklar. Nun analysierte ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Prof. Gyungmin Choi von der Pusan ​​National University in Korea in einer aktuellen Studie in der Fachzeitschrift Energy die Wirksamkeit der Kombination von Wirbelströmung und Luftstufung bei der Verbesserung der Verbrennungsleistung und der Reduzierung der Umweltverschmutzung.

„Die die Wirbelströmung begleitende Abgasrohrwirbelstruktur (ETV) verbessert die Flammenstabilität und die Verbrennungsleistung, hat jedoch den Nachteil, dass sie eine große Menge an NOx-Emissionen erzeugt. Im Gegensatz dazu schafft die Luftstufentechnologie eine brennstoffreiche Umgebung in der primären Verbrennungszone , was sich positiv auf die NOx-Reduktion auswirkt, sich aber negativ auf die Verbrennungsleistung auswirkt“, erklärt Prof. Choi. „Wenn diese beiden Technologien also sinnvoll kombiniert und in der Praxis angewendet werden, ist ein synergistischer Effekt zu erwarten, der den Ausstoß von Luftschadstoffen reduziert und die Verbrennungsleistung verbessert.“

Dementsprechend setzte das Team sowohl Simulationen als auch Experimente ein, um die kombinierten Auswirkungen verschiedener Wirbelkonfigurationen und Luftstufungen in einem nachgerüsteten, nach unten befeuerten Kohlenstaubkessel mit 16 kWth zu untersuchen. Der Kohlekessel bestand aus drei Abschnitten: dem Wirbelbrenner, dem Kessel und dem Abgasrohr.

Bei der Stufenverbrennung wurde die Stufenluft auf zwei Seiten aufgeteilt und tangential in den Kessel eingeblasen. Zur Vorwärmung und Flammenstabilisierung wurde Flüssiggas (LPG) verwendet. Die Luft- und LPG-Durchflussraten wurden reguliert und für jede Einstellung wurde die Temperatur mithilfe von Thermoelementen gemessen. Zusätzlich wurde die Menge an Gasphasenspezies mit einem Multigasanalysator gemessen.

Die Luftstufung mit zwei Wirbelkonfigurationen, nämlich gleichwirbelnden und gegenläufigen Flammen, wurde bewertet, um zu verstehen, welche davon im Hinblick auf die Reduzierung der Schadstoffemissionen vorteilhafter ist. Im Fall des Co-Drall-Brenners, bei dem Luft und Brennstoff im gleichen Sinne zirkulierten, waren die Kohlepartikel aufgrund der Bildung einer inneren Zirkulationszone und des ETV gleichmäßig verteilt – zwei wichtige Merkmale für die Optimierung des Designs von Kohlefeuerungen Kessel.

Darüber hinaus beobachtete das Team eine gleichmäßige Ausbrennzone für die Co-Swirl-Konfiguration, die eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs sicherstellte und die Emissionen von Gasspezies reduzierte. Es ermöglichte auch eine verstärkte Umwandlung chemischer Energie in thermische Energie und steigerte so die Verbrennungseffizienz. Im Gegensatz dazu zeigten Brenner mit Gegenwirbelung eine ungleichmäßige Verteilung der Kohlepartikel, einen ungleichmäßigen Ausbrand und erhöhte NOx-Emissionen, was darauf hindeutet, dass eine Konfiguration mit Gleichwirbelung die bessere Option war.

Darüber hinaus zeigte das Team, dass die Luftstufungstechnologie die Umweltkosten von 0,003 $ auf 0,015 $ pro Tag senkte.

Insgesamt könnten sich die Erkenntnisse dieser Studie als äußerst wertvoll für die Lösung der Umweltprobleme und Gesundheitsgefahren im Zusammenhang mit Kohlekraftwerken erweisen. „Wir haben zum ersten Mal die Struktur und Flamme des ETV identifiziert und untersucht und werden weiterhin forschen und uns um die Nutzung in der verbrennungsbasierten Industrie bemühen“, schließt Prof. Choi.

Mehr Informationen: Minsung Choi et al., Numerische Bewertung der Auswirkung der Wirbelkonfiguration und der brennstoffreichen Umgebung auf die Verbrennungs- und Emissionseigenschaften in einem kohlebefeuerten Kessel, Energie (2022). DOI: 10.1016/j.energy.2022.126591