Entwicklung von industriellen Ammoniak Brenner Modellierungsfähigkeiten

ZUSAMMENFASSUNG 

Ammoniak als Brennstoff für industrielle Heiz- und Dampferzeugungszwecke wird als eine Möglichkeit in Betracht gezogen, um zur Reduzierung der industriellen Treibhausgasemissionen beizutragen, insbesondere in Regionen, in denen weder Erdgasvorkommen noch Porenraum für_{die CO₂} -Sequestrierung vorhanden sind. Ammoniak ist als kohlenstoffarmer Brennstoff attraktiv, da es im Vergleich zu Wasserstoff und anderen Alternativen eine hohe Energiedichte und damit eine gute Transportfähigkeit aufweist; da bereits Protokolle, Normen und eine Infrastruktur für den Ammoniaktransport vorhanden sind; und da keine zusätzlichen Anlagen und kein zusätzlicher Energieverbrauch erforderlich sind, um Ammoniak von einem Trägermedium (Ammoniak/Kohlenwasserstoff) in einen Brennstoff (Wasserstoff) umzuwandeln.  

Aufgrund seiner geringen laminaren Flammengeschwindigkeit und seiner Neigung zur Bildung hoher Stickoxidkonzentrationen (_NOx) stellt Ammoniak im Vergleich zu gasförmigen Kohlenwasserstoff- und Wasserstoff-basierten Brennstoffen eine Herausforderung als Brennstoff dar. Dieser Beitrag beschreibt den bisherigen Entwicklungsstand eines kommerziellen Brenner auf Brenner verschiedenen Brenner Zeeco Brenner und für industrielle Heiz- und Dampferzeugungsanwendungen vorgesehen ist. Darüber hinaus werden Entwicklungen von Modellierungswerkzeugen beschrieben, die die Vorhersage der Ammoniakverbrennungsleistung in einem Brenner kommerzielle Anwendungen ermöglichen.  

Die hier beschriebene technische Entwicklungsarbeit ist Teil eines umfassenderen Programms zur Ammoniakverbrennung unter der Leitung von ExxonMobil, das auch Grundlagenforschung am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und an der Stanford University umfasst. Ziel ist es, das Verständnis der Ammoniakverbrennung zu vertiefen, um die Entwicklung eines Brenner spezifische kommerzielle Anwendungen zu ermöglichen.

Hier werden die Ergebnisse von Tests mit Brenner modifizierten GLSF FREE Brenner Zeecovorgestellt, der im Rahmen von Versuchen Brenner verschiedenen Brenner ausgewählt wurde. Die Tests wurden mit unterschiedlichen Gemischen aus Ammoniak und Wasserstoff oder Erdgas bei variierenden Betriebsbedingungen durchgeführt und belegen Fortschritte bei der Entwicklung eines Brenner eine stabile Flamme bei kontrollierbaren_{NOx-Emissionen} Brenner . Dieser Beitrag enthält Ammoniakemissionsdaten von drei kommerziellen Brenner sowie unterstützende CFD-Analysen (Computational Fluid Dynamics) und eine Erörterung, wie CFD zur Vorhersage der Verbrennungsleistung bei der Verbrennung von Ammoniak eingesetzt werden kann. Der Einsatz sowohl von Verbrennungstests als auch von CFD ist unerlässlich, um neue Technologien zu entwickeln und die Leistung in kommerziellen Anwendungen mit hinreichender Sicherheit vorherzusagen. Abschließend skizziert dieser Beitrag die nächsten Schritte im Brenner kommerzielle Brenner .

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EINFÜHRUNG

Das Interesse an der Verbrennung von Ammoniak als CO₂-freier Brennstoff für Energiesysteme gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere in Regionen, in denen heimisches Erdgas (NG) und Möglichkeiten_{zur CO₂-Sequestrierung} begrenzt oder nicht vorhanden sind. Die hohe Energiedichte, die geringe Kohlenstoffintensität und die daraus resultierende Transportfähigkeit machen Ammoniak im Vergleich zu vielen Alternativen, darunter auch Wasserstoff, zu einem attraktiven Brennstoff. Darüber hinaus verfügt die Industrie – auch wenn Ammoniak noch nicht weit verbreitet ist – bereits über bestehende Protokolle, Standards und eine Infrastruktur für den Umgang mit und den Transport von Ammoniak. Schließlich entfällt durch die direkte Verbrennung von Ammoniak der Bedarf an Anlagen und der zusätzliche Energieverbrauch, die für die Umwandlung von Ammoniak in Wasserstoff erforderlich sind. Zu den Vorreitern der Ammoniakverbrennung zählen Kohlekraftwerke in Asien, wo Ammoniak als Zusatzbrennstoff getestet wird. Diese Konfiguration reduziert_{die CO₂-Emissionen}, ist jedoch weiterhin auf die selektive katalytische Reduktion (SCR) angewiesen, um sowohl thermische als auch brennstoffbedingte_{NOx-Emissionen} zu senken.

Im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten industriellen Brenngasen weist Ammoniak ganz andere Eigenschaften auf, die in Tabelle 1 unten aufgeführt sind. Es hat eine geringe Flammengeschwindigkeit, eine niedrigere Flammentemperatur, enge Entflammbarkeitsgrenzen und eine langsamere chemische Kinetik. Diese Eigenschaften machen Ammoniak zu einem wesentlich schwieriger zu verbrennenden Brennstoff. Da sich Ammoniak zudem bei hohen Temperaturen zersetzt, reagiert Stickstoff mit freiem Sauerstoff, Hydroxylradikalen und anderen Verbindungen, wodurch große Mengen an Stickoxiden (NO,_NO₂,_N₂O) entstehen. Um den breiten Einsatz von Ammoniak als kohlenstofffreien Brennstoff für industrielle Heizzwecke und die Stromerzeugung zu ermöglichen, müssen diese Herausforderungen bei der Verbrennung bewältigt werden.

Tabelle 1. Vergleich von Ammoniak und gängigen Brenngasen.

ExxonMobil und Zeeco eine gemeinsame Initiative zur Entwicklung eines kommerziellen Brenner gestartet Brenner in neuen und bestehenden industriellen Heizanlagen (Prozessheizung, Dampferzeugung usw.) eingesetzt werden kann. Das Entwicklungsprogramm zielt darauf ab, einen Brenner zu entwickeln, Brenner Flexibilität bei der Brennstoffzusammensetzung ermöglicht, unter allen Betriebsbedingungen eine stabile Leistung erbringt und zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beiträgt. Zu den Emissionszielen des Projekts gehören_NOx-Werte von weniger als 200 ppm (idealerweise unter 100 ppm) und ein Ammoniak-Slip von weniger als 50 ppm (vorzugsweise unter 10 ppm) bei 3 %_O₂ (trocken). In diesem Beitrag werden die bisherigen Entwicklungsarbeiten beschrieben.

Brenner , PRÜFPLAN UND PRÜFANLAGEN

Entwicklungs- und Testplan:

Als Ausgangspunkte für die Entwicklung eines kommerziellen Ammoniak Brenner wurden drei Brenner identifiziert:

1. 1. Brenner GB Brenner Zeeco Brenner ein herkömmlicher Brenner Flammenstabilisierung durch einen Stromkörper an einer einzigen, zentral angeordneten Brennerspitze
2. 2. Brenner GLSF FREE JET Brenner ZeecoBrenner ein Brenner _{mit extrem niedrigem NOx-Ausstoß} Brenner ULNB) mit gestuften Brennstoffdüsen, die auf einer heißen feuerfesten Platte stabilisiert sind, und einer Flamme, die von Zusatzbrennstoffdüsen an der Innenseite der Platte erzeugt wird
3. 3. Brenner GLSF Brenner Zeeco Brenner ein ULNB mit derselben Anordnung von Stufen- und Hilfsdüsen, die um eine feuerfeste Platte herum angeordnet sind, sowie einem zusätzlichen Satz von Stufen-Brennstoffdüsen am Rand des Brenner

Abbildung 1 zeigt die schematischen Darstellungen der drei Brenner .  

Abbildung 1. Brenner in der ersten Testphase – (von links nach rechts) GB, FREE JET, DT.

Die ersten Tests und die Optimierung Brenner wurden am Global Technology Center (GTC) Zeecoin der Nähe von Tulsa, Oklahoma, an Modellen dieser drei Brenner mit natürlichem Zug und einer Nennleistung von 4 MMBtu/h durchgeführt. Die Prüfung eines Brenner am unteren Ende der kommerziellen Skala ermöglichte die schnelle und kostengünstige Durchführung einer großen Anzahl von Tests. Die intensivere Brennstoff-Luft-Vermischung, die durch einen höheren Druckabfall der Verbrennungsluft bei Brenner Zwangsbelüftung ermöglicht wird, kann bei der anfänglichen Konzeptentwicklung Mängel Brenner verschleiern. Daher wurde die Prüfung mit natürlicher Zugluft gewählt, um Konzepte für Brenner zur Optimierung der Flammenstabilisierung sowie_derNOx- und_{NH₃-Emissionen} besser identifizieren zu können.

In der ersten Brenner Brenner der GB Brenner Ammoniak mit einem Zusatzbrennstoff, da nur ein Gasstrom verbrannt wurde. Bei den ULNB-Konstruktionen (FREE JET DT) wurden separate Brennstoffströme für die Zusatzdüsen (Düsen in der Mitte) und die Hauptdüsen (Düsen um die Brenner herum) verwendet, was den Einsatz von 100 % Erdgas oder Wasserstoff in den zentralen Zusatzdüsen ermöglichte, während_{der NH₃-Gehalt} des Brennstoffs in den Hauptdüsen maximiert wurde. Als Hilfsbrennstoff wurden Erdgas und Wasserstoff verwendet.  

Die Ergebnisse dieser ersten Tests wurden anschließend herangezogen, um das vielversprechendste Konstruktionskonzept zu ermitteln, das dann weiter optimiert wurde, um den Anteil an Ammoniak in der Brennstoffmischung zu maximieren, der genutzt werden kann, während gleichzeitig eine stabile Flamme bei reduzierten Emissionen erzeugt wird. Dieses vielversprechendste Konstruktionskonzept wird zur Herstellung eines Brenner mit Zwangszug verwendet, der auf den für die meisten industriellen Heizanwendungen typischen Leistungsbereich Brenner .

Die Entwicklung von Modellierungsverfahren der numerischen Strömungsmechanik (CFD) für die Ammoniakverbrennung ist ein wesentlicher Bestandteil der Brenner kommerzieller Brenner . Während die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff dank validierter Kinetik gut verstanden ist, befindet sich die Modellierung der Ammoniakverbrennung noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Im Mittelpunkt der CFD-Arbeiten stand die Verbesserung der chemischen Kinetik- und Turbulenzmodelle, um die Ammoniakverbrennung besser simulieren zu können. Ziel der CFD-Arbeiten ist es, CFD-Werkzeuge zu entwickeln, die Brenner unterstützen und Brenner in kommerziellen Anwendungen vorhersagen.

Prüfeinrichtungen: 

Ein bereits vorhandener vertikaler zylindrischer (VC) Brenner im GTC Zeeco, der für den Brenner testenden Brenner mit einer Leistung von 4 MMBtu/h angemessen dimensioniert war, wurde für die Installation der Anlagen zur Verbrennung von Ammoniak ausgewählt. Der verwendete Testofen hatte eine Strahlungskammerhöhe von etwa 14’ und einen Rohrkreisdurchmesser von 6’, wobei ein einzelner Brenner in der Mitte des Ofenbodens getestet Brenner . Die Temperatur im Feuerraum des Ofens wurde über den Wasserdurchfluss durch die Rohre auf einer Seite des VC geregelt, wodurch ein kommerzieller vertikaler Zylinderofen nachgebildet wurde, bei dem mehrere Brenner kreisförmig innerhalb eines größeren Kreises aus Prozessflüssigkeitsrohren angeordnet sind.  

Die Kraftstoffversorgung, die Verdampfung, die Rohrleitungen und die Dosierung wurden für den Umgang mit Ammoniak ergänzt bzw. angepasst. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, wurde eine detaillierte Sicherheitsüberprüfung durchgeführt, um sicherzustellen, dass geeignete Einrichtungen vorhanden waren, die erforderlichen Betriebsverfahren entwickelt wurden und das Betriebspersonal geschult wurde, um die mit dem Umgang und dem Betrieb mit Ammoniak als Kraftstoff verbundenen Risiken zu minimieren. Die Betriebsverfahren und Schulungen berücksichtigten unter anderem das zum Zeitpunkt der Tests in der Anlage anwesende Personal, die Umgebungsbedingungen sowie Windgeschwindigkeit und -richtung.

Die Emissionsmessung war ein weiterer Bereich, dem besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden musste. Herkömmliche_{NOx-Messsysteme}, die auf Chemilumineszenz basieren, können aufgrund möglicher Wechselwirkungen mit im System vorhandenem_NH₃-Slip irreführende Ergebnisse liefern. Zudem war es wichtig,_{den NH₃-} Slip und_N₂Ozu messen, um die Brenner des Programms zu erreichen._{NOx-Emissionen} umfassen NO und_NO₂, berücksichtigen jedoch nicht_N₂O. In den meisten Verbrennungssystemen mit Gemischen aus Kohlenwasserstoff- und Wasserstoffkraftstoffen sind_{die N₂O-Emissionen}sehr gering, typischerweise unter 5 ppm. Bei einem sehr hohen Gehalt an im Brennstoff gebundenem Stickstoff in einem Brennstoffgemisch mit hohem Ammoniakanteil besteht jedoch ein wesentlich größeres Potenzial für erhebliche_{N₂O-Emissionen}._{N₂O-Emissionen}waren bisher kein Grund zur Sorge, da sie im Gegensatz zu_NOx, das zur Bildung von Ozon in der Atmosphäre führt, keine Atemwegsschäden beim Menschen verursachen. Dennoch ist_N₂Oein starkes Treibhausgas und daher von besonderer Bedeutung, wenn Ammoniak als kohlenstoffarmer Brennstoff zur Reduzierung_{der CO₂-Emissionen} eingesetzt wird.  

Zur Emissionsmessung wurden die folgenden Analysegeräte am Testofen installiert. Dazu gehörten:

• • • Ein System zur Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) zur Messung von NO,_NO₂,_N₂O,_NH₃,_O₂,_H₂O,_CO₂, CO
    • Ein auf einem abstimmbaren Diodenlaser (TDL) basierendes System zur Messung von NO,_NH₃ und_H₂O
    • Chemilumineszenz- und paramagnetische Analysegeräte für_NOx,_NO₂,_O₂ (trocken) und CO

Das TDL-System wurde im Schornstein (Abbildung 2) an zwei Paaren von Düsenanschlüssen installiert. Die beiden anderen Analysesysteme nutzten unabhängige beheizte Probenahmesysteme, um die Rauchgasprobe auf Bodenhöhe zu den Analysatoren zu leiten.

Abbildung 2. TDL-Analysator am Abgasrohr des Testofens

Die Verbrennung hoher Ammoniakkonzentrationen war mit einigen Herausforderungen und Beobachtungen verbunden, die im Folgenden aufgeführt sind:

• • Hohe Feuchtigkeitskonzentrationen im Rauchgas stellten die FTIR- und die TDL-Systeme vor Herausforderungen (Wellenlängeninterferenz). Es war eine Analysator-Konfiguration erforderlich, die den zu erwartenden Bereich der Wasserdampfkonzentration im Rauchgas berücksichtigte. Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Artikels befindet sich die TDL-Konfiguration, die validierte Messungen ermöglicht, noch in der Entwicklung, sodass alle in diesem Artikel angegebenen_{NH₃-Messwerte} vom FTIR-Analysator stammen. 

  • Ammonia is a “sticky” gas and can stay adhered to the sample line tubing wall for an extended period. This made it challenging to take test point measurements that did not carry ammonia slip from previous test points. A test was conducted where the analyzer initially read <1 ppm NH₃ before ammonia fuel was introduced; upon firing, ammonia measurement spiked to 2000–4000 ppm. The sample line was opened to the atmosphere, and it took 12 minutes for NH₃ levels to drop below 10 ppm and 53 minutes to reach 2 ppm! 
  • Zudem wird Ammoniak von der Ofenisolierung absorbiert. In einem separaten Test Brenner der Brenner abgeschaltet und die Ofentür zur Atmosphäre hin geöffnet. In der Mitte des Ofens lag der_NH₃-Wert bei Null, betrug jedoch 9–17 ppm, wenn er 6” von der Isolierung entfernt gemessen wurde. Zudem gab es Fälle, in denen der Brenner mit_H₂ (oder Erdgas) in Betrieb genommen wurde, jedoch_NH₃ gemessen wurde, da sich trotz einer nächtlichen Spülung (bei offenem Naturzug) noch Ammoniak in der Isolierung befand. Abbildung 3 zeigt den Verlauf des vom FTIR-Analysator gemessenen_NH₃-Werts im Zeitverlauf nach dem Abschalten des Brenner dieser mit einem ammoniakreichen Brennstoff (über 80 Vol.-%) betrieben wurde. 
  • Es gab einige Fälle, in denen sich Ammoniak in den Brennstoffleitungen kondensierte und am Ventil zurückstaute. Die Flüssigkeit brannte im Brenner nicht gut, und im Kamin wurde_NH₃ gemessen. 

Abbildung 3. Im Kamin gemessene_NH₃ -Restkonzentration im Vergleich zur Zeit nach dem Abschalten Brenner 

ERSTE TESTERGEBNISSE Brenner

In dieser ersten Entwicklungsphase wurden Brenner bei verschiedenen O₂-Überschusswerten und einem Bodenzug von etwa 0,3” WC durchgeführt. Die Feuerraumtemperatur wurde an den meisten Testpunkten bei 1600–1750°F gehalten. Anfänglich zeigte keines der drei Brenner eine gute Leistung; bei allen kam es zu hohen Ammoniakkonzentrationen im Abgas. An jedem Konzept wurden Modifikationen vorgenommen, um die Flammenstabilität zu verbessern,_{den NOx-} und Ammoniakausstoß zu reduzieren und den Ammoniakgehalt im Brennstoff zu erhöhen. 

Tabelle 2 enthält eine Zusammenfassung der Testergebnisse für die drei Brenner nach der Optimierung. Der herkömmliche Brenner bis zu 20 % (*) Ammoniak in Mischung mit Erdgas und bis zu 60 % in Mischung mit Wasserstoff verbrennen. Die_NOx-Werte blieben jedoch hoch. Der GLSF FREE JET Brenner eine deutliche Verbesserung und erzeugte eine stabile Flamme mit 100 % Ammoniak an den Hauptdüsen, obwohl der Ammoniak-Slip bei einem Ammoniakanteil im Hauptbrennstoff von über 80 % unzulässig wurde. Er wies zudem geringere_{NOx-Emissionen} auf als der Brenner. Der Brenner eine ähnliche Leistung wie der FREE JET und bot keinen klaren Vorteil. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde beschlossen, sich bei der weiteren Entwicklung auf das FREE JET zu konzentrieren.

Tabelle 2. Erste Testergebnisse bei maximalem Ammoniakgehalt im Kraftstoff 

Erste Beobachtungen aus den Tests: 

Im Folgenden sind einige wichtige Erkenntnisse aus den ersten Tests zusammengefasst:

• • Bei einer Erhöhung des_NH₃ -Gehalts in den Hauptbrennstoffdüsen des GLSF FREE JET auf über 80 Vol.-% Brenner der Brenner zwar stabil, doch die Flammenlänge nahm zu, was zu_einem erheblichen_NH₃- Verlust (von 200 ppm auf >1000 ppm) im Abgaskanal führte. Die Abbildungen in Abbildung 4 zeigen stabile Flammen bei unterschiedlichen Ammoniakgehalten in den Hauptbrennstoffdüsen bis zu 100 % Ammoniak, trotz des unter diesen Bedingungen sehr hohen Ammoniak-Slips. Ein hoher Ammoniak-Slip ist in den Daten in Abbildung 5 sowohl bei Erdgas als auch bei Wasserstoff als Trägergas für Testpunkte mit_{einem NH₃-Gehalt} in den Hauptbrennstoffdüsen von > 80 Vol.-% zu beobachten. Bei einem Ammoniakgehalt in den Hauptbrennstoffdüsen unter 80 % lagen die meisten Datenpunkte im Bereich von 0 bis 5 ppm. 
  • Neben der Reduzierung_des thermischen_{NOx-Ausstoßes} verringerten die ULNBs auch_das brennstoffgebundene_NOx, das bei der Verbrennung von_{NH₃-Gemischen} entsteht. Der konventionelle Brenner bei einem Gemisch aus 60 %_NH₃ und 40 % Wasserstoff_{NOx-Emissionen} von ≈ 2.400 ppm. Mit demselben BrennstoffBrenner der GLSF FREE JET Brenner _{NOx-Emissionen} von 200–400 ppm. Es wird vermutet, dass das durch die FREE JET in die Flamme eingesaugte Rauchgas Bereiche erzeugt, in denen_NH₂ das in Bereichen, die_{der NH₃-Oxidation} förderlich sind (hoher_O₂-Gehalt und hohe Temperatur), entstehende NO zu_N₂ reduziert. 
  • N₂O emission correlated very strongly with NH₃ slip. For test points where NH₃ slip was < 5 ppm, N₂O was less than 10 ppm. Where NH₃ slip was between 5 and 100 ppm, N₂O was between 10 and 50 ppm. For NH₃ slip > 100 ppm, N₂O was 50-150 ppm. Thus, limiting NH₃ slip results in preventing N₂O emissions that erode the CO₂ emission reduction benefit of ammonia fuel. 
  • Die Ergebnisse der gestuften Luftversuche zeigten, dass bereits bei geringen Mengen an gestufter Luftzufuhr in den oberen Bereichen des Ofens_{die NOx-Emissionen} um ≈ 25 ppm anstiegen. Daher ist die gestufte Luftzufuhr in den oberen Bereichen des Ofens möglicherweise keine wirksame Methode_{zur NOx-Reduzierung}. Darüber hinaus zeigte sich, dass bei Prozessheizungen und anderen Anwendungen, bei denen der Ofen unter Unterdruck betrieben wird, Luftleckagen einen erheblichen Einfluss auf_{die NOx-Emissionen} in der Praxis haben können. 
  • Die Ammoniakmessung während FREE JET bei 3,4 MMBtu/h, bei dem die Hauptbrenner mit 10 Vol.-% Erdgas und 90 Vol.-%_NH₃ betrieben wurden und 20 % der Wärmeabgabe aus Erdgas in den Zusatzbrennern stammten, ergab 1.100 ppm_NH₃ in einer Höhe von 15’ über dem Boden und 5,5 ppm im Kamin. Die Zugabe_{von NH₃} oberhalb der Flamme zur Simulation einer selektiven nichtkatalytischen Reduktion (SNCR) zur_{NOx-Reduzierung} kam bei hoher Ammoniakausnutzung nicht in Frage. Stattdessen lag der Schwerpunkt auf der Verringerung der Flammenhöhe. 

Abbildung 4. Erste Tests des GLSF FREE JET Kraftstoffaufteilung an der Hauptdüse 

Abbildung 5. Vergleich der Abgasemissionen des GLSF FREE JET Brenner Erdgas und Wasserstoff als Hilfsbrennstoff 

Brenner UND PRÜFUNGBrenner OPTIMIERTEN GLSF FREE JET Brenner MIT NATÜRLICHEM ZUG

Nach Abschluss der ersten Testphase zeigte sich, dass das verbesserte FREE JET unter den drei getesteten Konzepten am vielversprechendsten war. Der Brenner weiterentwickelt, um die Leistung bei der Verbrennung von Ammoniak zu verbessern. Wie bereits erwähnt, wurden bei den ersten Tests entweder 100 % Erdgas (NG) oder 100 %_{Wasserstoff (H₂)} in den Zusatzdüsen verwendet, um die Flammenstabilität zu gewährleisten. In den Hauptbrennstoffdüsen kam ein Gemisch aus_NH₃ und einem Trägerbrennstoff (NG oder_H₂) zum Einsatz.   

Bei Brenner und Erprobung Brenner wurden sowohl die Hilfs- als auch die Hauptbrennstoffdüsen an dieselbe Versorgung angeschlossen, was zu einer identischen Zusammensetzung für beide Düsengruppen führte. Die während der anfänglichen Entwicklungsphase untersuchten bzw. verbesserten Konstruktionsparameter wurden erneut bewertet, um den_{Gesamt-NH₃-Anteil} am Brenner erhöhen und gleichzeitig die angestrebte Leistung zu erreichen. Es stellte sich als schwierig heraus, die Flamme der Zusatzdüse aufrechtzuerhalten, um eine zuverlässige Zündung des Hauptbrenngases zu gewährleisten; daher wurden mehrere Modifikationen unter denselben Ofenbedingungen getestet, die bereits in der ersten Testphase zum Einsatz gekommen waren.

Testergebnisse Brenner optimierten Brenner :

Die maximale_{NH₃-Konzentration}, bei der die gewünschten Leistungskriterien noch erfüllt wurden, lag bei 70 %_NH₃ und 30 % Erdgas. Obwohl dieser_{Gesamt-NH₃-Gehalt} im Brenner dem der ersten Tests entsprach, stellte der Wegfall der Notwendigkeit einer separaten Versorgung der Zusatzdüsen mit 100 % Erdgas oder 100 % Wasserstoff eine wesentliche Verbesserung im Hinblick auf einen für den industriellen Einsatz Brenner dar. Bei einem Ammoniakgehalt von über 70 % stieg der Ammoniakaustritt rapide an. Die optimierte Brenner mit natürlichem Zug bei unterschiedlichen_NH₃-An teilen ist in den Abbildungen 7 und 8 unten dargestellt. 

Abbildung 6._{NOx-Emissionen} im Vergleich_{zum NH₃} -Gehalt im Brennstoff bei einem optimierten FREE JET FREE JET mit natürlichem Zug und einer einzigen Brennstoffzufuhr 

Abbildung 7._NH₃ -Schlupf im Vergleich zum_NH₃ -Gehalt im Brennstoff für FREE JET optimierten FREE JET natürlichem Zug FREE JET einer einzigen Brennstoffzufuhr 

Der optimierteBrenner natürlichem ZugBrenner einer einzigen Brennstoffzufuhr hat bei hohen Ammoniakkonzentrationen eine robuste Leistung mit akzeptablen_NOx- und_{NH₃-Emissionen} gezeigt. Diese Konstruktion muss weiter verbessert werden, um höhere Ammoniakkonzentrationen zu ermöglichen und schließlich eine 100-prozentige Ammoniakverbrennung zu erreichen, die für den kommerziellen Einsatz geeignet ist – was das oberste Ziel dieses Vorhabens darstellt. Der Abschnitt „Zukünftige Arbeiten“ in diesem Artikel geht näher darauf ein. 

ENTWICKLUNG VON CFD-MODELLIERUNGSTOOLS ZUR LEISTUNGSVORAUSSAGE FÜR Brenner

Der Einsatz sowohl von Verbrennungstests als auch der numerischen Strömungsmechanik (CFD) ist für die Entwicklung eines Brenner den industriellen Einsatz unerlässlich. Um die Akzeptanz in der Industrie zu sichern, muss Brenner (Flammenform, Emissionen, Wechselwirkungen zwischen den Flammen usw.) in einer kommerziellen Anwendung mit hinreichender Sicherheit vorhergesagt werden können. Während CFD-Tools für Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff als Brennstoffe heute bereits sehr ausgereift sind, befinden sie sich für Ammoniak noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium. Zwar lassen sich Einzelbrenner in einem Testofen schnell bewerten, doch liegt der Vorteil der CFD darin, genaue Leistungsprognosen für Mehrbrenneranlagen zu liefern, insbesondere für neue oder ungewöhnliche Anwendungen. 

Im Mittelpunkt der CFD-Arbeiten stand die Modellierung von Ofenemissionen bei kritischen, aber schwer vorhersagbaren Phänomenen wie_NOx- und Ammoniak-Leckagen. Die im Rahmen dieses Projekts entwickelte CFD-Modellierungsmethode bietet vielversprechende Perspektiven für anspruchsvollere Anwendungen wie die Ammoniakverbrennung inBrenner AnlagenBrenner .

Die wichtigsten Merkmale des Modells sind folgende:

1. 1. Realisierbaresk-Ɛ, stationäres RANS
2. 2. Das Modell zur Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Chemie nach dem Eddy-Dissipation-Konzept (Magnussen & Hjertager¹) mit für diese Anwendung angepassten Parametern
3. 3. Ein vereinfachter chemisch-kinetischer Mechanismus auf der Grundlage des CRECK-Mechanismus (Stagni et al.2) für Erdgas- und Ammoniakgemische sowie der vom MIT für dieses Projekt entwickelten Mechanismen (Doner et al.3) für die H-N-O-Kinetik, bei der keine Kohlenwasserstoffe vorhanden sind

Im Folgenden werden einige ausgewählte Simulationsergebnisse zusammen mit Vergleichen zu physikalischen Versuchsdaten dargestellt.

Abbildung 8. CFD-Ergebnisse für eine Wärmeabgabe von 4 MMBtu/h bei einem Hauptbrennstoffgemisch aus 75 %_{NH₃ und 25 %} Erdgas sowie einem Hilfsbrennstoff aus 100 % Erdgas 

Abbildung 9 zeigt typische CFD-Ergebnisse für ein Hauptbrennstoffgemisch aus Ammoniak und Erdgas im GLSF FREE JET Brenner einer Wärmeabgabe von 4 MMBtu/h. Die auf einer Seite des Testofens angeordneten Kühlrohre bewirken eine Abwärtszirkulation von sauerstoffreichem Gas in der Nähe der Rohre, was zu einem schnelleren Verbrennen des Brennstoffs auf dieser Seite der Flamme und zu einer Neigung der Flamme zur heißeren Seite des Ofens führt.  

Abbildung 9. Netto-Reaktionsrate von NO mit CRECK RM fürBrenner GLSFBrenner 4 MMBtu/h mit einer Hauptbrennstoffzusammensetzung von 75 %_{NH₃/25 %} Erdgas und 100 % Erdgas als Hilfsbrennstoff 

Abbildung 9 zeigt sowohl die Bildung als auch den Abbau von NO in einer Flamme, in der ein Gemisch aus 75 %_NH₃ und 25 % Erdgas verbrennt. Das Modell enthielt ausreichend Details zur chemischen Kinetik, um die NO-Bildung aus Brennstoff- und thermischen Pfaden sowie die NO-Zersetzung durch Ammoniak mittels selektiver nichtkatalytischer Reduktionsreaktionen (SNCR) vorherzusagen. Dieses Modellergebnis stimmt qualitativ mit ZeecoVerständnis davon überein, wie die Brennstoffabstufung, der Mitreiß von Rauchgas und die verzögerte Luft-Brennstoff-Vermischung funktionieren, kombiniert mit dem aktuellen Verständnis der Chemie_{der NH₃-Oxidation} und der NO-Reduktion. Die Kombination aus der Verzögerung der Luft-Brennstoff-Vermischung und dem Eintrag von O₂-ärmerem, kälterem Rauchgas in die Flamme führt zu benachbarten Zonen, die die NO-Bildung durch_{NH₃-Oxidation} sowie die NO-Reduktion durch Reaktion mit dissoziiertem_NH₃ und OH-Radikalen begünstigen.

Abbildung 10. Vergleich der Messungen_des NO- und_NH₃ -Slips im Abgasstrang bei den ersten GLSF FREE JET _-NH₃/H₂ -Treibstofftests mit den CFD-Vorhersagen unter Verwendung zweier kinetischer Modelle 

Abbildung 10 vergleicht die gemessenen und die vorhergesagten Schornsteinemissionen für NO und Ammoniakaustritt. Das CFD-Modell, mit dem die vorhergesagten Werte ermittelt wurden, stützte sich auf zwei verschiedene Mechanismen:  

1. 1. Ein auf dem detaillierten Mechanismus von Stagni et al. basierendes, auf 50 Spezies reduziertes chemisches Modell 
2. 2. Vom MIT für dieses Projekt entwickeltes chemisches Modell (Doner et al.) 

Die in Abbildung 10 dargestellten Messdaten stammen aus Versuchen mit dem GLSF FREE JET Brenner , bei denen verschiedene Gemische aus Ammoniak und Wasserstoff in den Hauptdüsen und 100 % Wasserstoff in den HilfsdüsenBrenner . Der MIT-Mechanismus liefert hervorragende NO-Ergebnisse für_{NH₃-H₂-Gemische}, überschätzt jedoch den NO-Gehalt bei reinem_H₂. CFD-Simulationen unter Verwendung beider Mechanismen sagen bei einem Ammoniakanteil von bis zu 80 % einen Ammoniak-Slip im einstelligen Bereich oder im Bruchteil von ppm voraus, weichen jedoch bei der Verbrennung von reinem Ammoniak erheblich voneinander ab, wobei der CRECK-Mechanismus quantitativ bessere Ergebnisse liefert. 

Abbildung 11. Vergleich des NO- und_{NH₃-Abweichungsgrads} im Schornstein mit CFD-Vorhersagen unter Verwendung zweier Modelle für FREE JET optimierten FREE JET mit natürlichem Zug 

Abbildung 11 zeigt die CFD-Ergebnisse für den optimiertenBrenner. Dieser Brenner mit 100 % Erdgas sowie mit Brennstoffgemischen im Bereich von 60–75 %_NH₃ (Einzelbrennstoff sowohl für die Hilfs- als auch für die Hauptdüsen) getestet. Alle Simulationen dieser Tests wurden unter Verwendung des auf 50 Spezies reduzierten CRECK-Mechanismus durchgeführt, da der während dieser Arbeit verfügbare MIT-Mechanismus keine Kohlenwasserstoffchemie enthielt. 

NO lässt sich für diesen Datensatz recht gut vorhersagen. Auch der Ammoniak-Durchbruch wird gut vorhergesagt. Für den optimierten FREE JET mit natürlichem Zug sagte das CFD-Modell einen Ammoniak-Durchbruch bei_{einem NH₃-Anteil von} 70 % im Brennstoff voraus_, während die tatsächliche Messung einen Durchbruch bei 75 % ergab. Die Genauigkeit der Vorhersagen_{für die NO-} und_{NH₃-Konzentrationen} im Schornstein ist sehr vielversprechend, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Quantifizierung der experimentellen Unsicherheit noch nicht untersucht wurde und die Entwicklung des kinetischen Modells noch nicht abgeschlossen ist.

ZUKÜNFTIGE ARBEITEN

Aufbauend auf den ersten Erfolgen der oben vorgestellten Ergebnisse zur Ammoniakverbrennung sind folgende weitere Arbeiten geplant. 

Brenner :

Entwerfen und testen Sie einen Prototyp Brenner mit Zwangsbelüftung Brenner des GLSF FREE JET mit den folgenden Eigenschaften:

• • Kann zu 100 % mit Ammoniak betrieben werden und verfügt über einen Ersatzbrennstoff, der entweder aus Erdgas oder Wasserstoff besteht 
  • Gasversorgung mit einem einzigen Brennstoff
  • _{NOx-Emissionen} von weniger als 200 ppm (idealerweise unter 100 ppm) und ein_NH₃ -Durchschlag von weniger als 50 ppm (vorzugsweise unter 10 ppm)

Entwicklung von CFD-Tools:

Im Rahmen künftiger CFD-Arbeiten wird die Implementierung vereinfachter und detaillierter Kinetikmodelle fortgesetzt. Forschungsgruppen des MIT und der Stanford University werden weiterhin ihr Fachwissen einbringen, um diese Ziele voranzutreiben. 

SCHLUSSFOLGERUNGEN 

Brenner ersten Brenner haben gezeigt, dass ein ULNB-Brenner mit natürlichem Zug 70 %_NH₃ im Erdgas erfolgreich verbrennen und bei dieser Ammoniakkonzentration_eine ähnliche_NOx-Leistung erzielen kann wie herkömmliche Rohgasbrenner, die mit herkömmlichen Brenngasen betrieben werden. Die Arbeiten haben zudem gezeigt, dass mehrstufige Brenner bei der Verbrennung von Ammoniak herkömmliche Brenner deutlich übertreffen.  

Die Kombination von Teilmodellen, die zur Entwicklung einer CFD-Fähigkeit für die Ammoniakverbrennung ausgewählt wurde, liefert akzeptable Vorhersagen zu NO- und Ammoniak-Slip-Werten für industrielle Anwendungen und wurde für verschiedene Brenner sowie Ammoniak-Brennstoffgemische mit Wasserstoff und Erdgas demonstriert. Unter den getesteten chemischen Mechanismen modellierte der reduzierte CRECK-Mechanismus sowohl die Ammoniak- als auch die Kohlenwasserstoffverbrennung effektiv und zeigte eine angemessene Übereinstimmung mit den experimentellen Trends, wenngleich dies ein Bereich bleibt, der weiterer Verfeinerung bedarf. 

Mit Blick auf die Zukunft wird erwartet, dass Brenner weitere Brenner in enger Verbindung mit fortschrittlicher CFD-Modellierung eine sichere Verbrennung von Ammoniak mit noch geringeren NOx-Emissionen ermöglichen wird. Die Entwicklung eines Brenner mit Zwangsbelüftung Brenner die Einsatzmöglichkeiten weiter ausbauen. 

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