Anmerkungen zur numerischen Simulation der Auswirkungen von Sauerstoffanreicherung in einem turbulenten, nicht vorgemischten, verdrallten Methan-Luft-Brenner


Bei vielen industriellen Hochtemperaturprozessen ist Brennstoff der Hauptkostenfaktor. Eine Möglichkeit, um den Brennstoffverbrauch zu reduzieren und die Effizienz des Wärmeübergangs auf das Produkt zu verbessern, ist die Erhöhung des Sauerstoffgehaltes in der Verbrennungsluft. Sauerstoffanreicherung erhöht die adiabate Flammentemperatur, reduziert die Menge an transportiertem, inerten Stickstoff und den Wärmeübergang durch Strahlung aufgrund eines erhöhten Emissionsfaktors (höhere Konzentrationen von Kohlendioxid und Wasser) des Abgases.


Überblick über die implementierte Geometrie. Links: Lutte (von oben) und Gaszufuhr (von links), Mitte: Drallapparat und Gasdüse, Mitte-Rechts: Diffusionsluftröhren und Brennerausgang in den Ofenraum (quaderförmiges Volumen, ganz rechts).

 

Die dargestellten Simulationen wurden ausgeführt, um herauszufinden, wie viel Sauerstoff zur Brennluft hinzugefügt werden kann (unter Beibehaltung des stöchiometrischen Brennstoffverhältnisses), um die existierende Brennertechnologie, die für Hochtemperaturöfen in der Erzeugung von Schamottesteinen eingesetzt wird, sicher verwenden zu können. Das größte bekannte Risiko waren lokale Überhitzung, sowie verminderte Lebensdauer der Feuerfestmaterials und hochtemperaturresistenter Stahlteile des Brenners.


Simulationsergebnisse der Geschwindigkeit (Zellmittelpunktswerte) für verschiedene Sauerstoffkonzentrationen im Oxidationsmittel. Die Profile sind am Durchmesser des Brennerausgangs in den Ofenraum platziert.

 

Die verringerten Volumenströme und höheren Flammentemperaturen verschieben die Wärmeübertragungsmechanismen von Konvektion zur Strahlung und erhöhen den Wärmeübergang an das zu brennende Produkts. Das Mischverhalten der Gase kann durch Laminarisierung kontrolliert werden, um lokale Überhitzung zu verhindern. Die Mischung der Gase wird in „flammenlosen Brennern“ abgeschwächt, in welchen die Strahlungstemperatur der Flamme der Ofentemperatur ähnlich ist.

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