In einer zukünftig nachhaltigen Gesellschaft wird Wasserstoff eine bedeutende Rolle als Energieträger spielen. Der Übergangspfad von reinem Erdgas zur Verwendung von Gemischen bis 50 % Wasserstoff muss eingehender untersucht werden. Die in dieser Arbeit durchgeführte Forschung konzentriert sich auf die Sicherheitsaspekte, Schadstoffentwicklung und Stabilitätsfelder von laminaren Flammen. Ein entscheidender Parameter für die Sicherheit von Brenneranlagen ist die laminare Brenngeschwindigkeit. In dieser Arbeit wurden Methan-Wasserstoff-Gemische experimentell vermessen und mit numerischen Daten unter Verwendung verschiedener Reaktionsmechanismen verglichen.
Zur hochgenauen Messung der laminaren Brenngeschwindigkeit wurde der Heat Flux Brenner verwendet. In der vorliegenden Untersuchung wurden die laminaren adiabaten Brenngeschwindigkeiten für Methan-Wasserstoff-Sauerstoff-Stickstoff-Gemische bei verschiedenen Äquivalenzverhältnissen und variierten Sauerstoffanteilen untersucht. Die experimentellen Daten bis 20 % Wasserstoff bei reduziertem Sauerstoffgehalt konnten durch zehn ausgewählte detaillierte Reaktionsmechanismen nur teilweise wiedergegeben werden. Weiterführende Messungen befassen sich mit Methan-Wasserstoff-Luft Gemischen bei verschiedenen Äquivalenzverhältnissen, Temperaturen und Wasserstoffgehalten bis zu 50 %. Für diese Parameter wurde anschließend in Abhängigkeit der Höhe über dem Brenner eine Abgasanalyse mit dem Ziel der lokalen Stickstoffoxidkonzentration durchgeführt. Dabei zeigte sich im laminaren adiabaten Zustand eine Verringerung der Stickstoffoxide, insbesondere im brennstoffreichen Bereich. Eine Überlagerung von erhöhter Brenngeschwindigkeit und einhergehender kürzerer Verweilzeit wurde in Wasserstoff-Methan-Flammen im Vergleich zu reinen Methan-Flammen als Ursache ermittelt und numerisch nachvollzogen. Die experimentellen Daten konnten durch ausgewählte Reaktionsmechanismen nur teilweise wiedergegeben werden. Final wurden für vergleichbare Bedingungen an einem Gegenstrombrenner auch nicht vorgemischte Flammen bis zu einem Wasserstoffanteil von 50 % detaillierter untersucht. Dabei lag das Hauptaugenmerk der Ermittlung der Verlöschungsstreckungsgrenzen. Es konnte gezeigt werden, dass sich diese im Fall der Wasserstoffbeimischung deutlich iivergrößern, was auch von den numerischen Modellen vorhergesagt wurde. Im Fall einer Sauerstoffreduktion kommt es hingegen zu einer deutlichen Verkleinerung des stabilen Flammenbereiches. Es konnte gezeigt werden, dass sich dieser Zusammenhang nichtlinear zwischen der Sauerstoff- und Brennstoffkonzentration verhält.
Abschließend konnte ein umfassender Datensatz zu laminaren Brenngeschwindigkeiten, Erlöschungsstreckungsraten und Schadstoffen für Methan-Wasserstoff-Flammen bis zu einem Anteil von 50 % Wasserstoff erstellt werden. Dieser dient der Verbesserung bestehender Reaktionsmechanismen und liefert grundlegende Erkenntnisse zur Auslegung von Brennern.:1 Einleitung, Motivation und Aufgabenstellung der Arbeit
2 Stand der Wissenschaft und Technik
3 Versuchsaufbau, verwendete Messmethoden und experimentelle Versuchsdurchführung
4 Numerische Methoden
5 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur laminaren Brenngeschwindigkeit
6 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur Erlöschungsstreckungsrate
7 Einfluss der Wasserstoffbeimischung in Methan-Flammen auf die Schadstoffbildung
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literatur
10 Anhang / In a future sustainable society, hydrogen is expected to play an important role as an energy carrier. The transition path from pure natural gas to the use of mixtures, up to 50 % hydrogen, has to be investigated in more detail. The research that has been conducted focuses on the safety, pollutant emission and the stability areas of laminar flames. A significant parameter for the safety of burner systems is the laminar burning velocity. In this work, methane-hydrogen mixtures were measured experimentally and compared with numerical approaches using different reaction mechanisms.
The Heat Flux Burner was used to measure the laminar burning velocity with high accuracy. In the present study, the laminar adiabatic burning velocities for methane-hydrogen-oxygen-nitrogen mixtures at different equivalence ratios and varied oxygen contents was investigated. The experimental data up to 20 % hydrogen at reduced oxygen content could only be partially reproduced by ten selected detailed reaction mechanisms. Further measurements are concerned with methane-hydrogen-air mixtures at different equivalence ratios, temperatures and hydrogen contents up to 50 %. For these parameters, an exhaust gas analysis was carried out as a function of the height above the burner with the aim of nitrogen oxide detections. A reduction in nitrogen oxides in the laminar adiabatic state was observed, especially in the fuel-rich range. A superposition of increased burning velocity and accompanying shorter residence time in the hydrogen-methane mixtures compared to pure methane flames was determined as the cause which could also be shown numerically. The experimental results could only be partially reproduced by selected reaction mechanisms. Furthermore, for comparable conditions, non-premixed flames up to a hydrogen content of 50 % were investigated in more detail. The main focus was the determination of the extinction strain rate limits. It could be shown that these increase significantly in the case of hydrogen admixture, which could also be predicted by the numerical models. In the case of oxygen reduction, on contrary, there is a significant reduction of the stable flame area. It could be demonstrated that this relationship is non-linear between the oxygen and fuel concentration.
Finally, a comprehensive data set on laminar burning rates, extinction stretching rates and pollutants for methane-hydrogen flames up to a proportion of 50 % hydrogen could be generated. This can contribute to the improvement of existing reaction mechanisms and provide fundamental knowledge for the design of burners.:1 Einleitung, Motivation und Aufgabenstellung der Arbeit
2 Stand der Wissenschaft und Technik
3 Versuchsaufbau, verwendete Messmethoden und experimentelle Versuchsdurchführung
4 Numerische Methoden
5 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur laminaren Brenngeschwindigkeit
6 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur Erlöschungsstreckungsrate
7 Einfluss der Wasserstoffbeimischung in Methan-Flammen auf die Schadstoffbildung
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literatur
10 Anhang / 在未来的可持续发展社会中，氢气将作为一种能源载体发挥重要作用。从纯天然气到使用高达50 %的氢气混合物的过渡需要进行更详细的科研调查。本论文的研究重点集中于安全角度，污染物的演变以及层流火焰的稳定性领域。作为燃烧系统安全的一个关键参数文章使用层状燃烧率。本文献通过实验测量了甲烷-氢气混合物，并对在不同反应机制的形成的数字数据进行了比较。
热流量燃烧器被用来高精度地测量层状燃烧速度。本研究针对不同当量比和不同氧含量的甲烷-氢-氧-氮混合物进行了层流绝热燃烧速度的分析。在氧气减少的情况下，至20 % 的氢气实验数据只能由10个选定的详细反应机制部分地重现。进一步的测量针对不同当量比、温度和氢含量至50 %的甲烷-氢-空气混合物。然后对这些参数依赖于燃烧器上方的高度，进行了废气分析，目的是确定局部的氮氧化物浓度。结果表明在层状绝热条件下，特别是在燃料丰富的区域，氮氧化物有所减少。与纯甲烷火焰相比，氢-甲烷火焰的高燃烧速度和短暂的停留时间两者叠加被确定为其原因，文章对此并进行了数值重建。实验数据只能被选定的反应机理部分重现。最后，文章在逆流燃烧器上的可比条件下，也对氢气含量至50 %的非预混火焰进行了更详细的研究。研究在此特别进行了熄灭应变率的测定。 结果表明，如同数值模型所预测，在氢气掺入的情况下，以上数值都明显增加。 而在氧气减少的情况下，稳定的火焰面积明显减少。由此可以证明氧气和燃料浓度之间的非线性关系。最后，文章结果可以用于建立一个关于甲烷-氢气 （其氢气比例最高至50 %）火焰的层流燃烧速度、熄灭应变率和污染物的综合数据集。这有助于优化现有的反应机制，并为燃烧器的设计提供基本知识。:1 Einleitung, Motivation und Aufgabenstellung der Arbeit
2 Stand der Wissenschaft und Technik
3 Versuchsaufbau, verwendete Messmethoden und experimentelle Versuchsdurchführung
4 Numerische Methoden
5 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur laminaren Brenngeschwindigkeit
6 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur Erlöschungsstreckungsrate
7 Einfluss der Wasserstoffbeimischung in Methan-Flammen auf die Schadstoffbildung
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literatur
10 Anhang
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:81982 |
| Date | 07 December 2022 |
| Creators | Eckart, Sven |
| Contributors | Krause, Hartmut, Riedel, Uwe, Technische Universität Bergakademie Freiberg |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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