3.2 Thermo-chemische Umwandlungsverfahren Flashcards
Erklären Sie die Begriffe Luftzahl n und Luftüberschuss. In welchem Bereich liegt die Luftzahl bei der technischen Holzfeuerung?
Luftüberschuss bedeutet, dass einem Stoff bei seiner Erhitzung zur Verfügung steht, als zu seiner stöchiometrisch vollständigen Oxidation aller seiner organischen Komponenten nötig wäre. Die Luftzahl ist eine Maßzahl für den Luftüberschuss und beschreibt das Verhältnis aus der wäh- rend eines Oxidationsvorgangs insgesamt zugeführten Luftmenge zu der für die vollständige Oxidation stöchiometrisch minimal benötigten Luftmenge.
Bei einer Holzfeuerung liegt die Luftzahl tatsächlich zwischen 1,5 und 2,5.
Nennen Sie für die folgenden technischen Prozesse ihren Temperaturbereich, einen Bereich für die Luftzahl n und das gewünschte Produkt.
Vollständige Verbrennung: n>1, heißes Abgas, 800-1300 °C
fette, nicht ganz vollständige Verbrennung, es verbleiben teil- und unoxidierte Mengen an Brennstoff zurück.-> n<1 (wenig unter 1)
Vergasung (f/s BS) / Reformierung (g BS): n<1 (deutlich), brennbares Gas, 700-900°C
Pyorolytische Zrsetzung (s BS), Aufspaltung (g/f/s Sekundärenergieträger), Verkohlung: n=0, brennbares Gas, Pyrolyseöl, Holzkohle (ca. 500 °C)
Definieren Sie den Begriff Verbrennung.
C und H2 werden in Gegenwart von O2 unter Energiefreisetzung zu CO2 und H2O oxidiert. Wenn die Reaktionen vollständig ablaufen, kommt es zur einer vollständigen Oxidation sämtli- cher oxidierbarer organischer Bestandteile des Brennstoffs. Bei 0
Definieren Sie den Begriff Vergasung.
Wird ein Brennstoff wie C nicht zu CO2, sondern zu CO teiloxidiert, kann das entstandene Gas – hier CO – in der Folge dann in einem anderen technischen Prozess weiter oxidiert werden.
Definieren Sie den Begriff pyrolytische Zersetzung.
Zersetzung ausschließlich unter der Einwirkung von Wärme und ohne Gegenwart von zusätzlich der Reaktion zugeführtem Sauerstoff
Definieren Sie den Begriff (Brennstoff-)Verflüssigung und geben Sie Beispiele für involvierte verfahrenstechnische Prozessschritte.
Prozesse, mit deren Hilfe ein fester Biobrennstoff in eine flüssigen Sekundärenergieträger über- führt werden kann. Dies wird in der Regel mit thermochemischen Prozessen realisiert, das heißt mit einer Kombination aus pyrolytischer Zersetzung, Vergasung und Oxidation), mit dem Ziel ei- ner möglichst großen Ausbeute an flüssigen Sekundärenergieträgern.
Definieren Sie den Begriff Verkohlung.
Eine thermochemische Umwandlung, bei der durch die Steuerung des Prozesses die vorrangige Bereitstellung fester Produkte angestrebt wird, wie Holzkohle. Es laufen insbesondere die pyro- lytische Zersetzung, aber auch in geringerem Ausmaß die Vergasung und Oxidation ab.
Definieren Sie den Begriff Torrefizierung.
Sanfte thermische Behandlung biogener Festbrennstoffe unter Luftabschluss bei Temperaturen von 250 bis 300 °C bei Verweilzeiten zwischen 15 und 30 min. Es wird erst ein Trocknungs- und Aufheizungsschritt durchlaufen, anschließend laufen bei geringen Prozesstemperaturen pyrolytische Zersetzungsreaktionen statt. Ziele: Massenreduktion, Energieaufwand zur Zerkleinerung reduzieren.
Nennen Sie die vier Prozessschritte die bei einer thermo-chemischen Umwandlung ablaufen.
Was ist ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal thermo-chemischer Umwandlungsprozesse? Prozessschritte: Trocknung, Pyrolytische Zersetzung, Vergasung und Oxidation Unterscheidungsmerkmal: Anteil des von außen zugeführten Sauerstoffs (Luftzahl)
Was versteht man unter der adiabaten Verbrennungstemperatur?
Die Gastemperatur ohne Wärmetemperatur (wenn chemischer Energiegehalt des Brennstoffs komplett in fühlbare Wärme der Verbrennungsprodukte (Rauchgase) umgewandelt wird)
Erläutern Sie die Rußbildung bei der Verbrennung (Stichpunkte)
In brennstoffreichen Zonen der Flamme können aus niedrigmolekularen aromatischen Ringver- bindungen, welche in dem in der Biomasse enthaltenen Lignin reichlich vorhanden sind, durch Anlagerung von Ethin-Radikalen weitere Ringe entstehen. So können Polyzyklische Aromati- sche Kohlenwasserstoffe (PAK) entstehen.
In kalten, schlecht durchmischten Zonen, verbrennen diese aromatischen Kohlenwasserstoffe ungenügend. Die PAK wachsen deshalb weiter. Schließlich können Makromoleküle entstehen, welche solch groß sind, dass sie als feinste Partikel ausfallen. Diese Partikel werden Ruß ge- nannt und können durch Agglomeration (Anhäufung) immer größer werden.
Welche NOx-Bildungsmechanismen unterscheidet man bei Verbrennungsprozessen? Erläutern Sie diese kurz und benennen Sie die Stickstoffquelle des jeweiligen Mechanismus.
Stickstoffoxide = NOx
Thermische NOx, welche bei Temperaturen > 1000 °C aus molekularem Luftstickstoff und dem Sauerstoff der Verbrennungsluft entstehen.
Prompte NOx: Brennstoffradikale wie C und Chi reagieren (hauptsächlich im Bereich der Flam- menfront) mit dem Luftstickstoff zu CN- oder HCN-Radikalen, dabei wird atomarer Stickstoff ge- bildet. Alle drei entstandenen Verbindungen können dann zu NO oxidiert werden. Brennstoff- temperatur nicht entscheidender Faktor
Brennstoff-NOx: Entstehen direkt aus dem chemisch im Brennstoff gebundenen Stickstoff, wel- cher mit dem Sauerstoff der Brennluft reagiert, schon bei niedrigeren Temperaturen (ab 800 °C)
Nennen Sie vier feuerungstechnische Maßnahmen, wie der Ausbrand bei der Verbrennung ver- bessert werden kann und erläutern Sie diese kurz. Was sind die Anzeichen unvollständiger Verbrennung?
Maßnahmen:
Zufuhr von Sekundärluft (Oxidationsmittel) im Überschuss Ausreichend lange Verweilzeit des Brenngases in Reationszone ausreichend hohe Verbrennungstemperaturen
gute Vermischung der Brenngase mit Verbrennungsluft durch hohe Turbulenz Anzeichen unvollständiger Verbrennung:
Kohlenstoffgehalt in der in der Asche, die in der Feuerung und den nachgeschalteten Abschei- dern zurückgehalten wird.
Kohlenstoffgehalt der nicht zurückgehaltenen Asche
Anteil unverbrannter Bestandteile (CO, VOC, PAK, Ruß, unverbrannte Kohlenstoffpartikel) im Abgas
Nennen Sie Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung bei der Verbrennung.
Luftstufung und Brennstoffstufung: Beide erlauben neben einer Verminderung der Brennstoff- NOx auch eine Reduktion von vielleicht gebildetem thermischen NOx. Bei der Brennstoffstufung wird nach der Vergasung und Verbrennung des Hauptbrennstoffs (im Luftüberschuss) ein Zweit- brennstoff zugeführt. Bei der Luftstufung wird dagegen der komplette Brennstoff schon in auf einmal zugeführt, in der Vergasungszone unter Luftmangel vergast. Beide Verfahren führen zu Luftmangel in der Reduktionszone und Luftüberschuss in der Nachbrennkammer. Zusätzlich kann das Abgas rezirkuliert werden und damit erneut der Verbrennung zugeführt werden.
Nennen Sie 9 Emissionen, die bei der Verbrennung entstehen können.
Stoffe vollständige Verbrennung: Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf
Unvollständige Verbrennung: Kohlenstoffmonoxid, VOC, PAK, Ruß, unverbrannte Kohlenstoff- partikel (brennbarer Teil der Staubemissionen)
Stoffe aus Spurenelementen oder Verunreinigungen: Luftgetragene Staub- und Aschepartikel (Nicht brennbarer Teil der Staubemissionen), Schwermetalle wie Blei oder Kupfer, Stickstoff- (NO, NO2,…), Schwefel-, Chlor- und Kaliumverbindungen (SO2, HCl, KCl), sowie Dioxine und Furane.
