Feuer ohne Flamme, FLOX®
Viel Aufmerksamkeit erregt unser neues Verbrennungsverfahren der flammlosen Oxidation, FLOX® in Wissenschaft und Technik. Durch eine hohe Abgas/Luft-Vormischung werden Spitzentemperaturen in der Flamme vermieden und die thermische Stickoxidbildung wird auch bei höchster Luftvorwärmung fast vollständig unterdrückt.
Die Beherrschung der NOx-Emissionen war und ist eine der größten Herausforderungen der modernen Brennertechnik. Insbesondere bei hohen Prozesstemperaturen und vermehrten Anstrengungen zur Wirkungsgradsteigerung durch Verbrennungsluftvorwärmung führen hohe Spitzentemperaturen in der Flamme zu enorm hohen Emissionen von NOx.
Mit der flammlosen Oxidation (kurz FLOX®, eingetragenes Warenzeichen der WS Wärmeprozesstechnik GmbH) gelang es, die NOx Bildung auch bei sehr hoher Verbrennungsluft-Vorwärmtemperatur weitgehend zu unterdrücken. Mit hohem Entwicklungsaufwand wurden die Grundlagen dieser neuen Verbrennung erarbeitet und schnell in die Praxis umgesetzt. Heute laufen bereits viele hundert FLOX® Brenner und der Anteil der FLOX® Brenner am Umsatz der WS Wärmprozesstechnik nimmt ständig zu.
Die Unterschiede zwischen konventioneller Verbrennung und flammloser Oxidation werden auf folgenden Grafiken veranschaulicht.
Die folgende Grafik zeigt berechnete Temperaturfelder eines Brenners der bei unveränderten Randbedingungen im Flammen- und FLOX Modus betrieben wird. Deutlich sind die Temperaturunterschiede im Brennernahbereich zu erkennen, während die Temperaturen ausserhalb des Brennernahbereiches nahezu identisch sind. Dies hat zur Folge, daß die NO-Emissionen wegen der fehlenden Temperaturspitzen drastisch vermindert werden ohne die allgemeine Charakteristik der Wärmeübertragung zu verändern.
(berechnet mit PHOENICS)
Die Photos zeigt eine Versuchsbrennkammer die zunächst mit einem Brenner im Flammenbetrieb aufgeheizt wird. Nach dem Umschalten auf FLOX® Betrieb ist keine Reaktionszone mehr sichtbar. Der Brennstoff wird weitgehend geräuschfrei und unsichtbar umgesetzt.
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Hier werden die Temperaturen entlang der Brennerachse gezeigt und mit gemessenen Werten (Thermoelement) verglichen. Auch hier wird der Unterschied im Brennernahbereich deutlich. Die NOx Werte sinken von 160ppm im Flammenbetrieb auf 6 ppm im FLOX Modus ab. Die Luftvorwärmung betrug während der Messung etwa 650°C.
Die nachfolgenden Bilder zeigen Meßwerte, die mit einem Lasermeßverfahren ermittelt wurden. Die oberen Darstellungen beziehen sich auf eine turbulente Vormischflamme, die unteren auf ein FLOX Verbrennung. Links werden Temperaturen mittels einer Falschfarbendarstellung gezeigt. Dabei entspricht blau einer Temperatur von 300 Kelvin und rot einer Temperatur von 2100 Kelvin, entsprechend der unten gezeigten Skala. Rechts finden sich die OH Radikal-Verteilungen entsprechend einer gemeinsame Skala. In der Mitte ist der Temperatur- und OH-Verlauf entlang einer Linie dargestellt.
Die Unterschiede treten hier klar hervor. Während bei der Flammenverbrennung grosse Temperaturunterschiede und OH Konzentrationsunterschiede auftreten, sind die Verhältnisse bei flammloser Oxidation deutlich gleichmäßiger. Starke Gradienten können nicht beobachtet werden.
(Quelle: Laseroptical Investigation of Highly Preheated Combustion with Strong Exhaust Gas Recirculation, T. Plessing, N. Peters, J.G. Wünning, 27th International Symposium on Combustion, University of Colorado at Boulder, 2.-7. August 1998)
Literatur zur Flammlosen Oxidation:
(in alphabetischer Reihenfolge)
Coelho P.J., Peters N., Numerical Simulation of a Mild Combustion Burner, Combustion and Flame, Volume 124, No. 3, Combustion Institute, February 2001
Plessing T., Peters N., Wünning J.G., Laser Optical Investigation of Highly Preheated Combustion With Strong Exhaust Gas Recirculation, Twenty - Seventh Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute, 1998, pp. 3197-3204
Telger R., Roth W., Betriebserfahrung beim Einsatz von Brennern mit flammloser Oxidation, Gas Wärme International 44 (1995), Heft 7/8, S. 323-337
Wünning J., Flammenlose Oxidation von Brennstoff mit hochworgewärmter Luft, Chem.-Ing.-Tech. 63 (1991), Nr. 12, S. 1243-1245
Wünning J.A., Wünning J.G., Brenner für die flammlose Oxidation mit geringer NO-Bildung auch bei höchster Luftvorwärmung, Gas Wärme International, Band 41 (1992), Heft 10, S. 438-444
Wünning J., Flammlose Oxidation in Strahlheizrohren, 16. Deutscher Flammentag, VDI Berichte 1090, 1993, S. 487-494
Wünning J.G., Flammlose Oxidation von Brennstoff, Dissertation, Aachen, 1996
Wünning J.A., Wünning J.G., Flameless Oxidation to Reduce Thermal NO-Formation, Prog. Energy Combust. Sci. Vol. 23, Seite 81-94, 1997
Wünning J.G., Flameless Combustion in the Thermal Process Technology, 2nd International Seminar on High Temperature Combustion, Stockholm, Sweden, 2000
