Die Arbeit befasst sich mit der Flamelet Modellierung für die Verbrennung von Kohlenstaub. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der detaillierten Betrachtung der Gasphasenchemie als auch auf der Interaktion der Kohle mit der Gasphase. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode für die Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen. Die energetische Umsetzung von Kohle läuft in drei wesentlichen Schritten ab: Verdampfung der Feuchtigkeit, Ausgasung der Kohle (Pyrolyse) und schließlich der Koksabbrand. Da die Struktur der Kohle als fossiler Brennstoff hoch komplex ist, existieren viele prädiktive, rechenaufwändige Modelle zur Beschreibung dieser Prozesse [1–4]. Diese Modelle können nicht direkt in numerischen Strömungssimulationen genutzt werden, dienen aber zur Kalibrierung einfacherer kinetischer Modelle. Diese in der Arbeit angewendete Prozedur wird in [5] beschrieben. Zur detaillierten Beschreibung des Abbaus der entstehenden höheren Kohlenwasserstoffe werden in der Simulation große Reaktionsmechanismen benötigt. Die Benutzung solcher Mechanismen ist mit großen Rechenzeiten verbunden und daher bleibt deren Anwendbarkeit auf einfache Anwendungsfälle beschränkt. Der Vorteil der Flamelet Modellierung besteht darin, dass unter bestimmten Voraussetzungen der komplette thermo-chemische Zustand, bestehend aus Temperatur, Druck und Zusammensetzung, mit nur wenigen charakterisierenden Kontrollvariablen abgebildet werden kann. Durch Vorgabe und Variation der Kontrollvariablen können diese Zustände mittels kanonischer Flammenkonfigurationen vorberechnet und in sogenannten Flamelettabellen abgespeichert werden. Für das klassische Flamelet / Fortschrittsvariablen Modell [6] wird der thermo-chemische Zustand über Mischungsbruch und Fortschrittsvariablen parametriert, dabei bestimmt der Mischungsbruch den Anteil an Brenn- stoff im Gemisch und die Fortschrittsvariable den Fortschritt der chemischen Reaktion. Die Kontrollvariablen werden in der numerischen Simulation transportiert, an Stelle der Energie- und Speziesgleichungen. Dies stellt für große Mechanismen eine dramatische Reduktion der zu lösenden Gleichungen dar. Der thermo-chemische Zustand ergibt sich per Look-up aus den Flamelettabellen. Im Zuge der Verbrennung trockener Kohle werden zwei Brennstoffe durch Pyrolyse und Koksabbrand freigesetzt. Für die Flamelet Modellierung bedeutet dies entsprechend je einen Mischungsbruch für Pyrolysegas und Produkte aus dem Koksabbrand. Neben der Fortschrittsvariablen wird ebenfalls die Enthalpie der Gasphase als Kontrollvariable benötigt aufgrund des intensiven Wärmeaustauschs zwischen Kohle und Gasphase. In der Arbeit erfolgt die Vorstellung der benötigten Transportgleichungen sowie die Beschreibung verschiedener Methoden zur Integration nicht-adiabater Zustände in Flamelettabellen. Dabei unterscheiden sich die vorgestellten Tabellierungstrategien hauptsächlich in der betrachteten Verbrennungsart. IV Erfolgt die Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel erst in der untersuchten Flammenkonfiguration, spricht man von Diffusionsflammenstrukturen; sind beide schon gemischt, so entstehen Vormischflammenstrukturen. Die Detektion solcher Strukturen erfolgt in der Arbeit anhand einer Flammenstrukturanalyse mittels Flammenmarker. Die prinzipielle Übertragbarkeit des Flamelet / Fortschrittsvariablen Modells auf turbulente Kohlestaubfeuerung wurde von Watanabe [7] gezeigt, jedoch ist die Bewertung der eingesetzten Flamelet Modellierung in Grobstruktursimulationen nicht ohne weiteres möglich. Deshalb werden zur Verifizierung der entwickelten Tabellierungstrategie in der Arbeit einfache Flammenkonfigurationen betrachtet, die es erlauben, direkte Chemielösungen mit den Lösungen der tabellierten Chemie zu vergleichen. Für den entsprechenden Vergleich erfolgt die Vorstellung zweier Analysen. Bei der a priori Analyse wird der thermo-chemische Zustand der detaillierten Lösung mit dem tabellierten Zustand verglichen. Für den Look-up werden dabei die Kontrollvariablen der direkten Chemiesimulation benutzt. Die a posteriori Analyse ist der Vergleich einer voll gekoppelten Rechnung unter Benutzung der Tabellierungstrategie mit der zugehörigen detaillierten Rechnung. Die erste untersuchte Konfiguration stellt eine Gegenstromanordnung mit vorgewärmter Luft und Kohlebeladung dar. Die Hauptergebnisse dieser rein numerischen Studie wurden bereits veröffentlicht [8] und es konnte die erfolgreiche Applikation der vorgestellten Tabellierungstrategie in dieser Anordnung für Tabellen basierend auf Diffusionflammenstrukturen gezeigt werden. Für die Validierung der detaillierten Rechnungen erfolgt die Nutzung experimenteller Daten [9, 10] für magere Methan-Sauerstoff-Stickstoff Mischungen in Staupunktströmungen. Es zeigt sich, dass diese Konfigurationen stark von den vorgemischten Gasflammen dominiert werden und somit Tabellen basierend auf Vormischflammenstrukturen einzusetzen sind. Die entwickelte Tabellierungsmethode ist in der Lage, auch diese Flammenstrukturen abzubilden. Abschließend wird numerisch eine Parametervariation hinsichtlich Einlassgeschwindigkeit und Kohlebeladung vorgestellt, um die Robustheit und breite Anwendbarkeit der entwickelten Tabellierungstrategie aufzuzeigen. Zusammenfassend konnte mittels Flammenstrukturanalyse für jede vorgestellte Konfiguration der zu verwendende Typ der Tabelle bestimmt werden. In den untersuchten Konfigurationen führte deren Anwendung zu einer guten Übereinstimmung mit den detaillierten Rechnungen. Damit legt diese Arbeit den Grundstein für weiterführende Betrachtung zur Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen.

Die Arbeit befasst sich mit der Flamelet Modellierung für die Verbrennung von Kohlenstaub. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der detaillierten Betrachtung der Gasphasenchemie als auch auf der Interaktion der Kohle mit der Gasphase. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode für die Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen. Die energetische Umsetzung von Kohle läuft in drei wesentlichen Schritten ab: Verdampfung der Feuchtigkeit, Ausgasung der Kohle (Pyrolyse) und schließlich der Koksabbrand. Da die Struktur der Kohle als fossiler Brennstoff hoch komplex ist, existieren viele prädiktive, rechenaufwändige Modelle zur Beschreibung dieser Prozesse [1–4]. Diese Modelle können nicht direkt in numerischen Strömungssimulationen genutzt werden, dienen aber zur Kalibrierung einfacherer kinetischer Modelle. Diese in der Arbeit angewendete Prozedur wird in [5] beschrieben. Zur detaillierten Beschreibung des Abbaus der entstehenden höheren Kohlenwasserstoffe werden in der Simulation große Reaktionsmechanismen benötigt. Die Benutzung solcher Mechanismen ist mit großen Rechenzeiten verbunden und daher bleibt deren Anwendbarkeit auf einfache Anwendungsfälle beschränkt. Der Vorteil der Flamelet Modellierung besteht darin, dass unter bestimmten Voraussetzungen der komplette thermo-chemische Zustand, bestehend aus Temperatur, Druck und Zusammensetzung, mit nur wenigen charakterisierenden Kontrollvariablen abgebildet werden kann. Durch Vorgabe und Variation der Kontrollvariablen können diese Zustände mittels kanonischer Flammenkonfigurationen vorberechnet und in sogenannten Flamelettabellen abgespeichert werden. Für das klassische Flamelet / Fortschrittsvariablen Modell [6] wird der thermo-chemische Zustand über Mischungsbruch und Fortschrittsvariablen parametriert, dabei bestimmt der Mischungsbruch den Anteil an Brenn- stoff im Gemisch und die Fortschrittsvariable den Fortschritt der chemischen Reaktion. Die Kontrollvariablen werden in der numerischen Simulation transportiert, an Stelle der Energie- und Speziesgleichungen. Dies stellt für große Mechanismen eine dramatische Reduktion der zu lösenden Gleichungen dar. Der thermo-chemische Zustand ergibt sich per Look-up aus den Flamelettabellen. Im Zuge der Verbrennung trockener Kohle werden zwei Brennstoffe durch Pyrolyse und Koksabbrand freigesetzt. Für die Flamelet Modellierung bedeutet dies entsprechend je einen Mischungsbruch für Pyrolysegas und Produkte aus dem Koksabbrand. Neben der Fortschrittsvariablen wird ebenfalls die Enthalpie der Gasphase als Kontrollvariable benötigt aufgrund des intensiven Wärmeaustauschs zwischen Kohle und Gasphase. In der Arbeit erfolgt die Vorstellung der benötigten Transportgleichungen sowie die Beschreibung verschiedener Methoden zur Integration nicht-adiabater Zustände in Flamelettabellen. Dabei unterscheiden sich die vorgestellten Tabellierungstrategien hauptsächlich in der betrachteten Verbrennungsart. IV Erfolgt die Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel erst in der untersuchten Flammenkonfiguration, spricht man von Diffusionsflammenstrukturen; sind beide schon gemischt, so entstehen Vormischflammenstrukturen. Die Detektion solcher Strukturen erfolgt in der Arbeit anhand einer Flammenstrukturanalyse mittels Flammenmarker. Die prinzipielle Übertragbarkeit des Flamelet / Fortschrittsvariablen Modells auf turbulente Kohlestaubfeuerung wurde von Watanabe [7] gezeigt, jedoch ist die Bewertung der eingesetzten Flamelet Modellierung in Grobstruktursimulationen nicht ohne weiteres möglich. Deshalb werden zur Verifizierung der entwickelten Tabellierungstrategie in der Arbeit einfache Flammenkonfigurationen betrachtet, die es erlauben, direkte Chemielösungen mit den Lösungen der tabellierten Chemie zu vergleichen. Für den entsprechenden Vergleich erfolgt die Vorstellung zweier Analysen. Bei der a priori Analyse wird der thermo-chemische Zustand der detaillierten Lösung mit dem tabellierten Zustand verglichen. Für den Look-up werden dabei die Kontrollvariablen der direkten Chemiesimulation benutzt. Die a posteriori Analyse ist der Vergleich einer voll gekoppelten Rechnung unter Benutzung der Tabellierungstrategie mit der zugehörigen detaillierten Rechnung. Die erste untersuchte Konfiguration stellt eine Gegenstromanordnung mit vorgewärmter Luft und Kohlebeladung dar. Die Hauptergebnisse dieser rein numerischen Studie wurden bereits veröffentlicht [8] und es konnte die erfolgreiche Applikation der vorgestellten Tabellierungstrategie in dieser Anordnung für Tabellen basierend auf Diffusionflammenstrukturen gezeigt werden. Für die Validierung der detaillierten Rechnungen erfolgt die Nutzung experimenteller Daten [9, 10] für magere Methan-Sauerstoff-Stickstoff Mischungen in Staupunktströmungen. Es zeigt sich, dass diese Konfigurationen stark von den vorgemischten Gasflammen dominiert werden und somit Tabellen basierend auf Vormischflammenstrukturen einzusetzen sind. Die entwickelte Tabellierungsmethode ist in der Lage, auch diese Flammenstrukturen abzubilden. Abschließend wird numerisch eine Parametervariation hinsichtlich Einlassgeschwindigkeit und Kohlebeladung vorgestellt, um die Robustheit und breite Anwendbarkeit der entwickelten Tabellierungstrategie aufzuzeigen. Zusammenfassend konnte mittels Flammenstrukturanalyse für jede vorgestellte Konfiguration der zu verwendende Typ der Tabelle bestimmt werden. In den untersuchten Konfigurationen führte deren Anwendung zu einer guten Übereinstimmung mit den detaillierten Rechnungen. Damit legt diese Arbeit den Grundstein für weiterführende Betrachtung zur Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen.

Soot in coal combustion simulations is often ignored due to its computational complexity, despite significant effects on flame temperature and radiation. In this research, a 40 kW oxy-coal combustion system is modeled using Large Eddy Simulations (LES) and a semi-empirical monodisperse coal soot model. Simulation results are compared to experimental measurements of temperature, species concentrations, and soot concentration. Cases where soot is modeled are compared with cases where soot is neglected to determine the accuracy benefits of modeling soot. The simulations were able to replicate experimental results within an acceptable level of error. Including soot in the simulations did not consistently increase accuracy for the simulation setup and modeling assumptions used in this research.

Nearly half of the electrical power produced in the United States is generated with coal. Coal power is inexpensive and reliable, but coal combustion releases harmful pollutants including NOx and SOx into the atmosphere if not controlled. CO2, a greenhouse gas, is also released during coal combustion and may contribute to global warming. A promising technology enabling carbon capture is oxy-coal combustion. During oxy-combustion, coal is burned in an atmosphere of O2 and recycled flue gas to eliminate nitrogen which makes up the majority of air-combustion flue gas. Oxy-combustion flue gas is mainly composed of CO2 and H2O. H2O can be condensed out of the gas, and the CO2 can then be captured and permanently stored relatively easily. The composition of the gas inside an oxy-fired boiler will be different due to the absence of nitrogen and the recycling of flue gas. Corrosive sulfur and chlorine gas species concentrations will be higher, and CO and NOx concentrations will be effected. An understanding of the differences in gas concentrations is critical to oxy-combustion boiler design. Four different pulverized coals were combusted in a reactor under staged and unstaged oxy-combustion conditions with warm recycled flue gas (420°F) to simulate conditions in an oxy-fired coal boiler. The gas composition was measured in the reducing and oxidizing zones for staged combustion, and in the same locations, 57 cm and 216 cm from the burner, for unstaged combustion. The results were compared to the results from similar staged air-combustion experiments using the same coals and burner. CO concentrations were higher for staged oxy-combustion compared to air-combustion, and the increase was more substantial for lower rank coals. H2S concentrations in the reducing regions were also higher, and the fraction of gas phase sulfur measured as H2S was higher for oxy-combustion. SO2 concentrations were 2.9 to 3.8 times as high as air-combustion concentrations. The measured conversion of coal sulfur to SO3 was lower for oxy-combustion, and ranged from 0.61% to 0.98%. The average fraction of coal sulfur measured in the gas phase was 84%, 80%, and 85% for staged oxy-combustion, unstaged oxy-combustion, and staged air-combustion respectively. HCl concentrations were 2.8 to 3.1 times higher in the staged oxy-combustion oxidizing zone, and a smaller fraction of coal chlorine was measured in the reducing zone. On average 70.8%, 79.5%, and 71.1% of the coal chlorine was measured as HCl for staged oxy-combustion, unstaged oxy-combustion, and staged air-combustion respectively. The fractions of coal chlorine and sulfur measured in the gas phase for staged combustion were not significantly affected by combustion media. Some staged oxy-combustion NO concentrations were lower than air-combustion concentrations while others were slightly higher, and NO emission rates were much lower due to recycling NO through the burner.