Der Einsatz von Ammoniak als Brennstoff für industrielle Heiz- und Dampferzeugungszwecke wird in der Industrie als mögliche Option zur Reduzierung industrieller Treibhausgasemissionen in Betracht gezogen, insbesondere in Regionen (z. B. Japan, Korea), in denen kein heimisches Erdgas und/oder keine geeigneten Porenräume fürdie CO₂-Sequestrierung vorhanden sind. Ammoniak ist eine potenziell attraktive Option als kohlenstoffärmerer Brennstoff aufgrund: i) seiner Energiedichte, die im Vergleich zu Wasserstoff zu einer besseren Transportierbarkeit führen kann, ii) der Existenz von Protokollen, Standards und Infrastruktur, die den Transport von Ammoniak ermöglichen können, und iii) der Möglichkeit, zusätzliche Anlagen und den Energieverbrauch zu vermeiden, die mit der Umwandlung vom Trägermedium (Ammoniak/Kohlenwasserstoff) in Brennstoff (Wasserstoff) verbunden sind.
Aufgrund seiner relativ geringen laminaren Flammengeschwindigkeit, seiner Empfindlichkeit gegenüber Geschwindigkeitsänderungen, seines engen Entflammbarkeitsbereichs und seiner Neigung zur Bildung hoher Konzentrationen von Stickoxiden (NOx) stellt Ammoniak im Vergleich zu gasförmigen Kohlenwasserstoffen und wasserstoffbasierten Kraftstoffen eine Herausforderung als Kraftstoff dar. In diesem Beitrag werden die Weiterentwicklungen der „ Brenner “-Konstruktionen sowie die damit verbundenen CFD-Fähigkeiten (Computational Fluid Dynamics) beschrieben, die auf dem AFRC Industrial Combustion Symposium 2025 getestet und vorgestellt wurden. Als Ergebnis dieser Weiterentwicklungen und Arbeiten wird ein einzigartiges „ Brenner “-Design vorgestellt, das auf der GLSF-Plattform ( FREE JET ) von Zeecobasiert und speziell für den Einsatz in industriellen Heiz- und Dampferzeugungsanwendungen mit Zwangsbelüftung konzipiert ist. Zudem werden Verbesserungen bei den Modellierungswerkzeugen und Analysemethoden beschrieben, die eine Vorhersage der Leistung von Ammoniak- Brenner n in kommerziellen Anwendungen ermöglichen.
Die in diesem Beitrag beschriebene Entwicklungsarbeit ist Teil eines umfassenderen, von ExxonMobil geförderten Programms zur Ammoniakverbrennung, das auch Grundlagenforschung am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und an der Stanford University umfasst. Ziel dieser Forschung ist es, das Verständnis der Ammoniakverbrennung zu vertiefen, um die Leistung eines Ammoniak Brenner s für kommerzielle Anwendungen zu verbessern.
Dieser Beitrag enthält Daten aus Tests des modifizierten GLSF-Systems von Zeeco FREE JET Brenner im Zwangsbelüftungsbetrieb mit und ohne vorgewärmte Luft bei verschiedenen Mischungsverhältnissen von Ammoniak und Wasserstoff oder Erdgas unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Damit werden Fortschritte bei der Entwicklung eines „ Brenner “ aufgezeigt, das eine stabile Flamme mit NOx- und Ammoniakemissionen liefern kann, die die angestrebten Leistungsziele erfüllen. Der Beitrag enthält zudem unterstützende CFD-Analysen sowie eine Erörterung, wie CFD zur Vorhersage des Verbrennungsverhaltens eingesetzt werden kann. Dieser Beitrag wird verdeutlichen, dass sowohl Verbrennungsversuche als auch CFD unerlässlich sind, um neue Technologien zu entwickeln und die Leistung in kommerziellen Anwendungen mit angemessener Sicherheit vorherzusagen.
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Das Interesse an der Verbrennung von Ammoniak als Mittel zur Reduzierung der CO₂-Emissionen nimmt zu, insbesondere in Regionen, in denen es an Erdgasvorkommen oder Möglichkeiten zur CO₂-Sequestrierung mangelt. Ammoniak zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte, eine geringe Kohlenstoffintensität und eine weltweit etablierte Infrastruktur aus, wodurch es praktischer zu lagern und zu transportieren ist als Wasserstoff. Darüber hinaus lassen sich durch die direkte Verbrennung von Ammoniak der Energieaufwand und die Ausrüstung vermeiden, die für die Spaltung in Wasserstoff erforderlich wären.
In asiatischen Kohlekraftwerken hat die frühzeitige Einführung bereits begonnen: Dort wird Ammoniak als Beigabebrennstoff getestet, um die CO₂-Emissionen zu senken. Diese Systeme sind jedoch nach wie vor auf die selektive katalytische Reduktion (SCR) angewiesen, um die bei der Ammoniakverbrennung entstehenden thermischen und brennstoffbedingten NOx-Emissionen zu reduzieren.
This program focuses on developing a commercial ammonia-fired burner suitable for both new and existing industrial heating applications. The objective is to create a fuel-flexible system that maintains stable operation under a wide variety of conditions while significantly reducing CO₂ emissions. Target performance includes NOx emission levels below 200 ppm (with a goal of <100 ppm) and ammonia (NH₃) slip below 50 ppm (preferably <10 ppm) at 3% O₂ dry. This paper outlines the progress achieved to date.
Die Konzepte „ZEECO “ und „FREE JET®“ Brenner wurden als Grundlage für die Entwicklung eines kommerziellen, mit Ammoniak befeuerten Zwangszugbrenners Brenner ausgewählt. Erste Tests und die Optimierung der Konfiguration wurden an modifizierten Zwangszugbrennern FREE JET mit einer Nennleistung von 4 MMBtu/h im Global Technology Center von Zeecoin der Nähe von Tulsa, Oklahoma, durchgeführt.
Die Entwicklung von Modellen für die numerische Strömungsmechanik (CFD) ist ebenfalls ein zentraler Bestandteil des Programms. Während die Verbrennungsmodellierung für Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff bereits gut etabliert ist, befinden sich die Ammoniakkinetik und die Wechselwirkungen zwischen Turbulenz und Chemie noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Die CFD-Arbeiten konzentrieren sich auf die Verfeinerung von Reaktionsmechanismen und Turbulenzmodellen, um die Ammoniakverbrennung genauer abzubilden. Ziel ist es, zuverlässige CFD-Werkzeuge zu entwickeln, die die Auslegung von „ Brenner “ unterstützen und dabei helfen, die Leistung in kommerziellen Anwendungen vorherzusagen.
Abbildung 1: Standard-GLSF mit Zwangsbelüftung FREE JET Brenner .
Abbildung 1 zeigt den Standard-GLSF FREE JET Brenner . Der getestete „ Brenner “ wurde für den Betrieb mit Ammoniak umgerüstet. Alle Gasdüsen, einschließlich der Zusatzdüsen, wurden mit demselben Brennstoff betrieben. Die Einzelzündflamme wurde mit Erdgas betrieben und hatte eine Wärmeabgabe von 90.000 Btu/h. Der GLSF-Brenner FREE JET Brenner ist auf einfache Bedienung ausgelegt und bewältigt Brennstoffwechsel von 100 % Ammoniak über 100 % Wasserstoff bis hin zu 100 % Erdgas sowie alle Mischungsverhältnisse dazwischen unter Beibehaltung einer stabilen Flamme. Diese Brenner sind für eine Betriebsdauer von 10 bis 20 Jahren ausgelegt und bieten gleichzeitig die von den Anwendern geforderte Einfachheit und Stabilität.
Ein bereits vorhandener vertikaler zylindrischer (VC) Ein-Brenner -Testofen im Global Technology Center von „ Zeeco“
wurde ausgewählt und so umgerüstet, dass er mit Ammoniak befeuert werden kann. Der Ofen, der für die 4.
MMBtu/h Brenner (wird derzeit geprüft), umfasst einen Strahlungskasten mit einer Höhe von ca. 17,33 ft und einer
Abstand zwischen Rohr und Wand: 5,83 ft. Ein einzelner „ Brenner “ ist in der Mitte des Ofenbodens angebracht, und
Die Temperatur im Feuerraum wird über wassergekühlte Rohre an einer Seite des VC geregelt, wodurch die
Wärmeaufnahmeeigenschaften eines handelsüblichen vertikalen zylindrischen Heizgeräts mit mehreren Brennern
die in einem Ring aus Prozessrohren angeordnet sind. Tabelle 1 enthält weitere Einzelheiten zum verwendeten Testofen
in dieser Arbeit.
Tabelle 1: Angaben zum Testofen
Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, wurden spezielle Systeme für die Ammoniakversorgung, -verdampfung, -verrohrung und -dosierung installiert bzw. modernisiert. Eine umfassende Sicherheitsüberprüfung bestätigte, dass die Sicherheitsvorkehrungen der Anlage, die Betriebsverfahren und die Schulung des Personals ausreichend waren, um die mit dem Umgang mit und der Verbrennung von Ammoniak verbundenen Gefahren zu bewältigen. In die Betriebsprotokolle flossen Aspekte wie der Aufenthaltsort des Personals, die Umgebungsbedingungen, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie weitere Faktoren ein, die für die sichere Durchführung der Versuche erforderlich waren.
Die genaue Emissionsmessung erforderte erheblichen zusätzlichen Aufwand. Herkömmliche, auf Chemilumineszenz basierende NOx-Analysatoren können bei einem NH₃-Slip aufgrund chemischer Interferenzen innerhalb des Analysators irreführende Ergebnisse liefern. Zudem war es notwendig, den NH₃-Schlupf und die N₂O-Emissionen zu quantifizieren, um die Ziele des Programms zur Entwicklung von „ Brenner “ zu erreichen. Obwohl NOx-Messungen in der Regel nur NO und NO₂ umfassen, berücksichtigen sie N₂O nicht, das in Systemen, die mit Kohlenwasserstoff- oder Wasserstoffbrennstoffen betrieben werden, meist vernachlässigbar ist – oft unter 5 ppm.
Ammoniak enthält jedoch einen hohen Anteil an brennstoffgebundenem Stickstoff, was zu einer potenziell erhöhten N₂O-Bildung führen kann. In der Vergangenheit standen NO und NO₂ im Zusammenhang mit der Bildung von Ozon in der Atmosphäre im Mittelpunkt des Interesses. N₂O ist jedoch ein Treibhausgas, weshalb seine Messung und Kontrolle wichtig sind, wenn Ammoniak als Brennstoff mit geringeren Treibhausgasemissionen eingesetzt wird.
Zur Emissionsmessung wurden die folgenden Analysegeräte am Testofen installiert. Dazu gehörten:
Der CFD-Modellierungsablauf stützte sich auf die im ersten Jahr dieses Programms erarbeiteten Ergebnisse, wobei der Schwerpunkt auf Brennern mit natürlichem Zug lag¹. Da Kessel offenbar die wichtigste kurzfristige Marktchance für die Entwicklung von Ammoniak- Brenner n darstellen, verlagerte sich unser Fokus im zweiten Jahr auf Brenner mit Zwangszug. Brenner mit Zwangszug nutzen ein Verbrennungsluftgebläse und erfordern daher Strom, Rohrleitungen, Steuerungen und zugehörige Ausrüstung. Sie arbeiten mit einem höheren Druckabfall, typischerweise etwa 1 bis 10 Zoll H₂O oder mehr, bieten dafür aber im Vergleich zu Naturzugbrennern eine bessere Durchmischung, Stufenregelung und Flammenstabilität, was zu einer geringeren NOx-Belastung führt. Gebläsebrenner sind in Kesseln und Feuerungsanlagen üblich, die eine hohe Wärmeabgabe, Flexibilität bei der Feuerungsleistung, sehr niedrige Emissionen, einen größeren Regelbereich und eine präzisere Luft-Brennstoff-Regelung erfordern.
Die für dieses Projekt entwickelte CFD-Methodik wurde so konzipiert, dass sie die folgenden Ziele erfüllt:
1.) Nutzen Sie die Geometrie- und Vernetzungsfunktionen eines kommerziellen Programms zur Modellierung realer „ Brenner “- und Ofengeometrien,
2.) Verwenden Sie detaillierte chemisch-kinetische Mechanismen, zumindest in vereinfachter Form,
3.) in der Lage sein, kinetische Modelle schnell und einfach zu ändern,
4.) Es müssen mehr als zwei unabhängig voneinander reagierende Ströme aus Brennstoff und Oxidationsmittel vorgesehen werden,
5.) Modellierung der Auswirkungen der Wärmestrahlung der beteiligten Medien,
6.) in der Lage sein, chemisch-kinetische Effekte aufgrund von „ Brenner “ und Ofenänderungen zu modellieren,
7.) Führen Sie eine Testsimulation des Ofens mit einem einzigen „ Brenner “ in etwa einem Tag durch.
Zu Beginn dieses Projekts gab es bei Zeeco keine CFD-Fähigkeit, die diese Anforderungen erfüllte, und laut einer Auswertung der verfügbaren Literatur auch sonst nirgendwo in der Brenner -Branche. In der Industrie üblicherweise verwendete Verbrennungsmodelle wie das chemische Gleichgewichtsmodell, das Eddy-Break-Up-Modell (EBU) und auf Flameletten basierende Modelle würden ohne weitere Weiterentwicklung die Anforderungen dieses Projekts nicht erfüllen. Forschungscodes aus dem universitären Bereich nutzen ausgefeilte chemische Modelle in Verbindung mit Large-Eddy-Simulation-Modellen (LES), sind jedoch nicht darauf ausgelegt, detaillierte „ Brenner “- und Ofengeometrien abzubilden, insbesondere bei sich schnell ändernden „ Brenner “-Konstruktionen. LES-Modelle sind zwar wichtig, um die Mechanismen hinter Verbrennungseigenschaften wie Flammenstabilität oder Abblasen zu verstehen, sie sind jedoch rechenintensiv und würden nicht die für die Modellvalidierung sowie als Grundlage für die Konstruktion und Erprobung von „ Brenner “ erforderliche Durchlaufzeit erreichen.
Ein Beispiel für kinetische Effekte, die von einfacheren Modellen nicht erfasst werden, ist in Abbildung 2 dargestellt.Die thermischeDeNOx-Chemie – auch bekannt als Ammoniak-Nachverbrennung oder selektive nichtkatalytische Reduktion (SNCR) – ist deutlich zu erkennen, da NO mitNH₃ zuN₂ reagiert. Der blaue Bereich zeigt die NO-Zersetzung auf der brennstoffreichen Seite der Flamme an, während der gelbe Bereich die NO-Bildung auf der mageren Seite anzeigt. Die in der blauen Zone gezeigte NO-Reduktion ist charakteristisch für die Ammoniakverbrennung und tritt bei der reinen Kohlenwasserstoffverbrennung nicht auf. DiesesDeNOx-Verhalten , das in seinem gesamten Ausmaß erfasst wird, reagiert sehr empfindlich auf die geometrischen Eigenschaften des zugrunde liegenden „ Brenner “. Bei anderen Konfigurationen des „ Brenner “ ist es möglicherweise nicht so ausgeprägt.
Abbildung 2: Isoflächen für die NO-Bildungsrate = 0,05kg/m³·s (gelb) und die NO-Abbaurate = 0,05kg/m³·s ( blau).
Abbildung 3 zeigt eine simulierte sichtbare Flammenoberfläche, die durch eine Isofläche mit einer Temperatur von 1300 K approximiert wird, zusammen mit dem Strahlungsfluss zu den Kühlrohren, wie er nach der DO/WSGG-Methode (Discrete Ordinates/Weighted Sum of Gray Gases) berechnet wurde. Die DO/WSGG-Methode, ein fester Bestandteil industrieller Verbrennungssimulationen, ist vollständig mit der aktuellen Methodik kompatibel.
Abbildung 3: Isofläche bei T = 1300 K und berechneter Strahlungswärmefluss im Rohr.
Während einzelne „ Brenner “-Konstruktionen experimentell bewertet werden können, liefert die CFD zusätzliche Einblicke in Strömungsstrukturen, Vermischung und lokale Reaktionswege, die nur schwer oder gar nicht messbar sind. Im zweiten Jahr wurde die CFD sowohl als Prognose- als auch als Diagnosewerkzeug zur Interpretation experimenteller Beobachtungen eingesetzt. Diese Arbeit schafft eine validierte Grundlage für zukünftige Anwendungen, darunter komplexere „ Brenner “-Anordnungen, MehrBrenner -Öfen sowie Szenarien mit erweiterter Brennstoffflexibilität unter Einbeziehung von Ammoniak, Wasserstoff und anderen Brennstoffen.
Abbildung 4 zeigt eine Analyse der Reaktionswege innerhalb einer einzelnen CFD-Zelle, die sich in der Reaktionszone befindet. Es ist zu erkennen, dass die komplexen chemischen Reaktionswege, die zum Ammoniakverbrauch sowie zur NO-Bildung und -Zersetzung führen, aktiv sind. Dies verdeutlicht die chemisch-kinetischen Details, die in diesen Simulationen berücksichtigt wurden.
Abbildung 4: Analyse des chemisch-kinetischen Ablaufs für eine einzelne CFD-Zelle in der Reaktionszone.
Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse für das Rev-18- Brenner. Beide Modelle verwenden den reduzierten Mechanismus, der auf dem detailliertenCRECK-Mechanismus² basiert. Dieser reduzierte Mechanismus wurde ausgehend von dem in den Arbeiten des ersten Jahres verwendeten 50-Spezies-Modell erweitert, um die Vorhersage der wichtigen SchadstoffeNO₂ undN₂Ozu verbessern. Das CFD-Modell liefert gute NO-Vorhersagen und leistet gute Arbeit bei der Vorhersage des Einsetzens von NH₃ -Slip, wenn der Ammoniakanteil im Brennstoff in einer Zwangsbelüftungskonfiguration erhöht wird, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Vorhersagen fürN₂OundNO₂ fallen beim CFD-Modell hoch aus, die Trends werden jedoch sehr gut vorhergesagt.
Abbildung 5: CFD-Ergebnisse im Vergleich zu FTIR-Messungen in einem Zwangsdurchströmungs- Brenner , der mit einer Mischung aus Ammoniak und Erdgas befeuert wird.
Die Ergebnisse dieser CFD-Validierung haben gezeigt, dass die CFD sowohl die Turbulenzen als auch die Wechselwirkungen der chemischen Kinetik mit ausreichender Genauigkeit erfassen kann, um als Prognoseinstrument zur Unterstützung der Entwicklung von „ Brenner “ eingesetzt zu werden.
Nach Abschluss der Entwicklung und Validierung der CFD-Methodik zur Modellierung von Brennern mit natürlichem und erzwungenem Zug wurden CFD-Untersuchungen durchgeführt, um die potenziellen Vorteile hinsichtlich Emissionen und Flammenstabilität unter verschiedenen Betriebsbedingungen und bei Änderungen der Geometrie der „ Brenner “ zu untersuchen. Auf der Grundlage des in den CFD-Simulationen aufgezeigten Potenzials zur Reduzierung von Emissionen und Schlupf wurden mehrere Modifikationen der „ Brenner “ sowie Optimierungen der Betriebsbedingungen, insbesondere eine erhöhte Luftvorwärmtemperatur (APH), getestet. Ausgewählte Ergebnisse werden im folgenden Abschnitt vorgestellt.
Tabelle 2 fasst die im Rahmen des Entwicklungsprogramms „ Brenner “ erfassten Emissionsmessungen zusammen. Für jede Testversionsind neben den Rohdaten zu den Emissionen von NH₃-Durchschlag, NO undN₂Oauch wichtige Betriebsparameteraufgeführt, darunter die Wärmefreisetzungsrate,die Verbrennungslufttemperatur und der maximale Ammoniak-Brennanteil. Alle in Tabelle 2 aufgeführten Konzentrationen wurden mit FTIR-Geräten gemessen.
Tabelle 2: Zusammenfassung der Emissionsmessungen.
Da die Ammoniakfeuerung besondere Herausforderungen bei der Messung mit sich bringt, stellen die NH₃-Slip-Werte die maximale Ammoniakkonzentration dar, die erreicht werden kann, während der Slip unter 50 ppmv bleibt. Die NO- und N₂O-Werte werden als rohe, trockene Konzentrationen angegeben. Der Datensatz deckt einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen ab, einschließlich Schwankungen der Wärmeabgabe (3,4–5,0 MMBtu/h) und der Verbrennung–Lufttemperatur (70–880°F) sowie Ammoniak-Brennanteil (60–95 %), was eine Bewertung der Leistung von „ Brenner “ über den gesamten Auslegungsbereich ermöglicht.
Abbildung 6 zeigt die Emissionsmessungen für „ Brenner , Rev. 25B“, die die besten Ergebnisse lieferte.
Abbildung 6: Emissionsmessungen für Rev 25B, die die besten Ergebnisse lieferten.
Es wurde eine Reihe von FTIR-Messungen bei einer konstanten Wärmeabgabe von 3,40 MMBtu/h durchgeführt, wobei die Brennstoffzusammensetzung von 100 % Wasserstoff bis 100 % Ammoniak variiert wurde. Ziel dieser Testreihe war es, zu charakterisieren, wie sich eine schrittweise Erhöhung des Ammoniakgehalts auf das Emissionsverhalten – insbesondere auf den NH₃-Slip sowie die Bildung von NO und N₂O – unter ansonsten konstanten Betriebsbedingungen auswirkt. Die Ergebnisse zeigen klare und systematische Trends, die die zugrunde liegende Verbrennungschemie von Wasserstoff-Ammoniak-Gemischen widerspiegeln.
Der NH₃-Slip blieb bei allen Gemischen vernachlässigbar, bis Ammoniak zur dominierenden Brennstoffkomponente wurde. Bei Gemischen mit bis zu 95 % NH₃ waren die NH₃-Slip-Werte extrem niedrig (0–9 ppm), was auf eine effektive Verbrennung und eine starke Durchmischung unter diesen Bedingungen hindeutet. Bei 100 % Ammoniak stieg der NH₃-Slip jedoch stark auf 1207 ppm an, was die Herausforderung verdeutlicht, eine vollständige Umwandlung zu erreichen, wenn kein Wasserstoff vorhanden ist, um die Flammengeschwindigkeit und die Reaktionskinetik zu erhöhen. Dieses Verhalten unterstreicht die stabilisierende Rolle der Wasserstoffzugabe bei der Ammoniakverbrennung. Der höchsteNH₃-Emissionswert lag bei 9 ppmv, beieinem NH₃ -Slip von weniger als 50 ppmv mit einem Testbrennstoffgemisch aus 95 %NH₃ und 5 %H₂. Tests mit 96 %NH₃ und 4 %H₂, 97 %NH₃ und 3 %H₂ sowie 98 %NH₃ und 2 %H₂ hätten dazu beigetragen, eine Kurve zu erstellen, um den Punkt zu bestimmen, an dem NH₃ -Emissionen tatsächlich den Wert von 50 ppmv überschritten.
Die NO-Emissionen zeigten eine starke Abhängigkeit von der Ammoniakkonzentration. Bei einem Wasserstoffanteil von 100 % wurden NO-Werte von 107 ppm gemessen, was für eine typische thermische Verbrennung typisch ist‑NO-Bildung in einer Wasserstoffflamme. Mit steigendem Ammoniakgehalt stieg der NO-Wert deutlich an und erreichte bei 60 % NH₃ -Gemisch. Dieser Anstieg entspricht der Zugabe von Brennstoff-gebundenen Stickstoffs, der bei hohen Temperaturen leicht zu NO oxidiert wird‑Temperaturbedingungen leicht zu NO oxidiert wird.
Interessanterweise sanken die NO-Konzentrationen bei höheren Ammoniakanteilen und fielen bei 90 % NH₃ auf 197 ppm sowie bei 100 % NH₃ auf 96 ppm. Dieser Rückgang deutet darauf hin, dass – sobald Ammoniak zum dominierenden Brennstoff wird – niedrigere Flammentemperaturen und eine langsamere Kinetik die NO-Bildung trotz des hohen Stickstoffgehalts unterdrücken. Das Ergebnis ist ein nicht–monotonem NO-Verlauf: Er steigt mit dem anfänglichen NH₃ Zugabe an, um dann abzufallen, wenn die Flamme auf Ammoniak‑dominiertem Verhalten.
Der beste Wert für NO-Emissionen von 143 ppmv, bei dem derNH₃ -Anteil unter 50 ppmv lag, wurde bei einem Mischungsverhältnis von 95 %NH₃ und 5 %H₂ erzielt.
Die N₂O-Emissionen blieben bei Gemischen mit einem NH₃-Anteil von bis zu 60 % nahe Null, was mit der schnellen Zersetzung von N₂O bei hohen Flammentemperaturen übereinstimmt. Mit weiter steigender Ammoniakkonzentration begann der N₂O-Gehalt anzusteigen und erreichte bei Gemischen mit 90–95 % NH₃ Werte von 10–18 ppm sowie bei 100 % NH₃ 38 ppm. Dieser Trend spiegelt die Verlagerung hin zu kühleren, langsameren–reagierenden Ammoniakflammen, bei denen Zwischenprodukte des Stickstoffs‑Oxid-Zwischenprodukte wie N₂O, stabiler sind. Die höchste Konzentration an N₂O-Emissionen lag bei 18 ppmv, bei einemNH₃ -Slip von weniger als 50 ppmv, der zu 95 % ausNH₃ und zu 5 % ausH₂ bestand.
Das kombinierte Verhalten von NO und N₂O veranschaulicht den klassischen Zielkonflikt bei der Ammoniakverbrennung:
Heißer, Wasserstoff–reichhaltige Flammen → hoher NO-Gehalt, vernachlässigbarer N₂O
Kühler, Ammoniak–reichhaltige Flammen → geringerer NO-Gehalt, höherer N₂O
Der Kraftstoff–demonstriert das Durchlaufen verschiedener Kraftstoffgemische das komplexe Zusammenspiel zwischen Flammentemperatur, Reaktionskinetik und Stickstoff–Umwandlungswegen bei Wasserstoff–Ammoniak-Verbrennung:
Wasserstoff–wasserstoffreiche Gemische erzeugen hohe Flammentemperaturen, was zu hohen NO-Werten und vernachlässigbaren N₂O-Werten sowie einer vollständigen Ammoniakverbrennung.
Mischungen mittlerer Konzentration (40–60 % NH₃) weisen die höchsten NO-Emissionen auf, die sowohl durch thermische als auch durch kraftstoffbedingte Faktoren verursacht werden–bundenen Stickstoffmechanismen bedingt.
Ammoniak–-reiche Gemische verringern die NO-Bildung, erhöhen jedoch den N₂O- und NH₃ aufgrund niedrigerer Flammentemperaturen und einer langsameren Kinetik.
PuAmmoniak stellt die größte Herausforderung dar, da es trotz eines relativ geringen NO.
Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des Kraftstoffs–Kraftstoffmischungsoptimierung, die Gestaltung der „ Brenner “ sowie die Temperatur–Strategien zur Temperaturregelung, um NO, N₂O und NH₃ beim Übergang von Wasserstoff–zu Ammoniak‑dominanten Feuerung.
Abbildung 7: „ FREE JET “ mit einer Leistung von 3,4 MM Btu/h und einem APH von 885 °F bei 100 % Ammoniak-Brennstoff.
Abbildung 8: „ FREE JET “ mit einer Leistung von 3,4 MM Btu/h und einer APH von 885 °F, betrieben mit 95 % Ammoniak und 5 % Wasserstoff.
Abbildung 9 veranschaulicht die Emissionsbereiche bei unterschiedlichen APH-Temperaturen mit Rev 25A&B:
Abbildung 9: Emissionsbereiche bei unterschiedlichen APH-Temperaturen mit Rev 25A&B.
Die Emissionsmessungen wurden bei einer konstanten Wärmeabgabe von 3,4 MMBtu/h mit einem Brennstoffgemisch aus 90 % Ammoniak und 10 % Wasserstoff durchgeführt, wobei die APH-Temperatur im Bereich von etwa 500°F bis 885°F variiert wurde. Die während der Revisionen 25A und 25B erhobenen FTIR-Messungen zeigen klare und konsistente Zusammenhänge zwischen der APH-Temperatur und der Bildung von NH₃ Slip, NO und N₂O.
Der NH₃-Schlupf zeigte eine starke umgekehrte Abhängigkeit von der APH-Temperatur. Bei der niedrigsten getesteten Temperatur (508 °F) war der NH₃-Schlupf extrem hoch (über 7000 ppm), was auf eine unvollständige Brennstoffumwandlung unter kühleren Verbrennungsbedingungen hindeutete. Mit steigender APH-Temperatur nahm der NH₃-Slip stark ab, fiel bei 784 °F auf 23 ppm und erreichte bei 885 °F 1 ppm. Dieser Trend spiegelt die verbesserte Reaktionskinetik und die verstärkte Verbrennung von nicht umgesetztem Ammoniak bei erhöhten Temperaturen wider. Die Ergebnisse zeigen, dass die Aufrechterhaltung einer ausreichend hohen Verbrennungstemperatur‑Lufttemperaturen unerlässlich ist, um den Ammoniak-Slip bei hohen–NH₃ Brennverfahren.
Die NO-Emissionen stiegen mit zunehmender APH-Temperatur stetig an, was mit der Temperatur übereinstimmt–abhängige Umwandlung des Brennstoffs‑im Brennstoff gebundenen Stickstoffs. Bei 508°F wurden 34 ppm NO gemessen, die bei 784°F auf 99 ppm und bei 885°F 197 ppm. Dieser monotone Anstieg deutet darauf hin, dass bei höherer Luft–Luftvorwärmtemperaturen eine vollständigere Oxidation von Ammoniak-aus Ammoniak stammenden Stickstoffspezies begünstigen, was zu einer erhöhten NO-Bildung führt. Dieser Trend deckt sich mit den bekannten Zusammenhängen bei der Ammoniak‑Verbrennungschemie, bei der thermische und brennstoffbedingte-gebundene Stickstoff-Reaktionswege mit steigender Temperatur zunehmen.
Die N₂O-Emissionen erreichten den erwarteten Höchstwert‑und‑Abnahme, wie es für die Verbrennung von Ammoniak charakteristisch ist. Bei der niedrigsten APH-Temperatur (508°F) N₂O mit 96 ppm relativ hoch, was auf die Bildung von Stickstoffzwischenprodukten‑Oxid-Zwischenprodukte unter kühleren Bedingungen. Mit steigender Temperatur stieg N₂O-Konzentrationen deutlich ab und sanken bei 784°F auf 32 ppm und bei 885°F. Dieses Verhalten steht im Einklang mit der thermischen Zersetzung von N₂O bei höheren Temperaturen, bei denen sich die Reaktionswege in Richtung der NO-Bildung verschieben.
Die NO₂-Konzentrationen lagen an allen Messstellen nahe Null, was darauf hindeutet, dass fast der gesamte oxidierte Stickstoff als NO oder N₂O vorlag. Dies ist typisch für hohe–Temperatur, Kraftstoff--reichen Ammoniakverbrennungsumgebungen, in denen NO₂ -Bildung kinetisch unterdrückt wird.
Die zusammengefassten Ergebnisse veranschaulichen die gegensätzlichen Auswirkungen der Temperatur auf die Ammoniakverbrennung:
Eine niedrige APH-Temperatur führt zu einem hohen NH₃-Slip, einem niedrigen NO-Gehalt und erhöhten N₂O-Werten.
IZwischenwerte der Temperatur verringern den Schlupf und den N₂O-Ausstoß, während der NO-Ausstoß steigt.
Hhohehohe Temperaturen minimieren den Schlupf und den N₂O-Ausstoß, führen jedoch zu den höchsten NO-Werten.
Höhere APH-Temperaturen führen zu:
Erhöhte NO-Bildung.
Reduziertes NH3 Emissionen.
Rreduziertes N2O-Emissionen.
Diese Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, die Auslegung und die Betriebsbedingungen von „ Brenner “ zu optimieren, um ein Gleichgewicht zwischen Ammoniakausbrennung, NO-Bildung und N₂O-Minderung herzustellen. Die Daten bieten eine solide Grundlage für die weitere Verfeinerung von Strategien, Stufenkonzepten und Temperatur‑Regelungsansätze, um die Programmziele’Emissionsziele des Programms zu erreichen.
SCHLUSSFOLGERUNG
Das Entwicklungs- und Testprogramm hat gezeigt, dass Ammoniak erfolgreich als Brennstoff eingesetzt werden kann, um die CO₂-Emissionen in industriellen Heizungsanwendungen zu senken, wenn es mit einem speziell auf seine einzigartigen Verbrennungseigenschaften abgestimmten „ Brenner “ kombiniert wird. Durch iterative Konstruktionsverbesserungen, umfangreiche Tests und Fortschritte in der CFD-Modellierung erreichte der modifizierte GLSF FREE JET Brenner einen stabilen Betrieb über einen breiten Bereich von Ammoniak-Wasserstoff-Gemischen und Luftvorwärmbedingungen hinweg. Die Testergebnisse zeigen, dass mit einer geeigneten Auslegung der „ Brenner “ und einem geeigneten Temperaturmanagement die Zielparameter des Programms hinsichtlich NH₃-Slip, NOx- und N₂O-Emissionen unter optimierten Bedingungen erreicht werden können.
Die kombinierten experimentellen und modellbasierten Arbeiten bestätigen, dass sowohl physikalische Versuche als auch CFD unverzichtbare Werkzeuge zur Vorhersage des Ammoniakverbrennungsverhaltens sind. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Geometrie des „ Brenner “, der Brennstoffzufuhr und der Betriebsstrategien kann den Übergang vom Prototyp zu einem marktreifen, mit Ammoniak betriebenen „ Brenner “ unterstützen und damit den Weg für eine deutliche Reduzierung der industriellen CO₂-Emissionen ebnen.
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