Investigation of pulverized, pre-dried lignite combustion under oxy-fired conditions in a large-scale laboratory furnace

Untersuchung der Verbrennung von vorgetrocknetem Braunkohlestaub unter Oxyfuel-Bedingungen in einer großskaligen Laborfeuerung

  • The oxy-fuel combustion process with subsequent CO2 storage has received attention as a promising technology for capturing CO2 from fossil fuel power plants. Recent progress in understanding pulverized coal combustion under oxy-fired conditions is attributable in part to studies performed at laboratory bench-scale. Previous investigations have underlined some significant differences between conventional air-fired and oxy-fired combustion with regard to temperature, heat flux distribution, and pollutant emissions. While most studies provide information on the impacts of O2 concentration in the feed gas, the impact of burner configuration and operating settings on oxy-coal combustion have been investigated by only a handful of studies. The present study addresses the impact of oxy-fired conditions on the chemistry and dynamics of pulverized coal flames generated by a staged feed-gas burner operating with pre-dried lignite. Investigations were carried out in a newly constructed test facility where the combustion takes place in aThe oxy-fuel combustion process with subsequent CO2 storage has received attention as a promising technology for capturing CO2 from fossil fuel power plants. Recent progress in understanding pulverized coal combustion under oxy-fired conditions is attributable in part to studies performed at laboratory bench-scale. Previous investigations have underlined some significant differences between conventional air-fired and oxy-fired combustion with regard to temperature, heat flux distribution, and pollutant emissions. While most studies provide information on the impacts of O2 concentration in the feed gas, the impact of burner configuration and operating settings on oxy-coal combustion have been investigated by only a handful of studies. The present study addresses the impact of oxy-fired conditions on the chemistry and dynamics of pulverized coal flames generated by a staged feed-gas burner operating with pre-dried lignite. Investigations were carried out in a newly constructed test facility where the combustion takes place in a horizontal up-fired furnace with a rated capacity of 0.40 MWth. Since the focus of this work is on adapting oxy-fuel combustion techniques to existing furnaces, great emphasis is placed on maintaining flame temperatures and heat transfer similar to that of conventional air combustion. The strategy adopted to investigate the impacts of burner settings is divided into theoretical and experimental investigations. In the theoretical study, the combustion-related parameters are calculated based on thermodynamic balances and act as a background for the definition of some important operating settings. Non-reacting flow simulations which include the burner and part of the furnace are performed using a CFD commercial code aimed at a qualitative evaluation of feed gas distribution and swirl strength on the flow pattern formed in the near burner region. These predictions assist in the interpretation of the experimental data and in the calculation of the swirl number at the exit of the burner. During the experimental investigations, the characteristics of diffusion flames were first investigated in a parametric study to evaluate the impact of secondary swirl numbers at three levels and secondary/tertiary flow ratios on the overall combustion performance. The second part of the test program involved detailed in-flame measurements for selected flames. Measurements of local gas temperature, gas species concentrations, and radiative heat flux were performed with standard water-cooled probes with special focus on the near burner region. Theoretical and experimental studies are also carried out under air-fired conditions and used as a benchmark throughout this study. The overall O2 fraction upstream of the burner was kept at 31 vol% and was defined with basis on a similar adiabatic flame temperature as air-firing. Flame stabilization was shown to be strongly dependent on the O2 fraction of the primary stream, feed gas distribution between the secondary and tertiary registers, and strength of the secondary swirl. Type-1 flames operating at a stoichiometric ratio of 1.17 were generated under air-fired and oxy-fired conditions and investigated in detail. Detailed flow pattern and flame structure studies show evidence of radial flame stratification consistent with gradual O2 admixing to the central fuel jet. Increasing the swirl number and the secondary/tertiary flow ratio enhances the mixing of coal particles and increases the temperatures close to burner. Much lower temperatures on the flame axis are observed under oxy-fired conditions. In the same region, higher CO concentrations were also observed, possibly as a result of CO2 dissociation and/or gasification reactions by water vapor and CO2 which contribute to lower temperatures. Very low CO concentration at the furnace exit and high particle burnout indicate that oxy-fired conditions are not an obstacle to achieving a high combustion efficiency for type-1 flames. Although SO2 concentrations were higher under oxy-fired conditions, the emission rates were very similar, indicating that SO2 emissions are exclusively dependent on the sulfur content of the coal. Experimental data obtained from the parametric study and in-flame measurements suggest great potential for NO abatement through flame aerodynamics for oxy-coal combustion. The experiments demonstrate that feed gas staging in a burner is an effective technique for improving the flame stratification in fuel-rich and fuel-lean zones. In particular, a combination of high swirl and high secondary/tertiary flow ratio results in significant NO reduction.show moreshow less
  • Oxyfuel-Verbrennung mit anschließender Speicherung von CO2 erhält viel Aufmerksamkeit, da sie als eine vielversprechende Technologie zur CO2-Abscheidung bei fossilen Kraftwerken gilt. Jüngste Fortschritte im Verständnis der Kohlenstaubverbrennung unter Oxyfuel-Bedingungen sind zum Teil auf Untersuchungen im Labormaßstab und Testanlagen zurückzuführen. Frühere, grundlegende Untersuchungen haben einige bedeutende Unterschiede zwischen luftgefeuerter und sauerstoffgefeuerter Verbrennung hinsichtlich Temperaturen, Wärmestromverteilung und Schadstoffemissionen aufgezeigt. Während in den meisten Studien Informationen über die Auswirkungen der O2-Konzentration im Speisegas und die Auswirkungen der Brennereinstellungen nur in wenigen Arbeiten untersucht wurden, befasst sich die vorliegende Promotion mit dem Einfluss der Oxyfuel-Verbrennung in einem gestuften Kohlestaubbrenner. Die Untersuchungen wurden in einer kürzlich erbauten Testanlage durchgeführt. Die Verbrennung erfolgt in einem zunächst horizontal und dann vertikal verlaufendenOxyfuel-Verbrennung mit anschließender Speicherung von CO2 erhält viel Aufmerksamkeit, da sie als eine vielversprechende Technologie zur CO2-Abscheidung bei fossilen Kraftwerken gilt. Jüngste Fortschritte im Verständnis der Kohlenstaubverbrennung unter Oxyfuel-Bedingungen sind zum Teil auf Untersuchungen im Labormaßstab und Testanlagen zurückzuführen. Frühere, grundlegende Untersuchungen haben einige bedeutende Unterschiede zwischen luftgefeuerter und sauerstoffgefeuerter Verbrennung hinsichtlich Temperaturen, Wärmestromverteilung und Schadstoffemissionen aufgezeigt. Während in den meisten Studien Informationen über die Auswirkungen der O2-Konzentration im Speisegas und die Auswirkungen der Brennereinstellungen nur in wenigen Arbeiten untersucht wurden, befasst sich die vorliegende Promotion mit dem Einfluss der Oxyfuel-Verbrennung in einem gestuften Kohlestaubbrenner. Die Untersuchungen wurden in einer kürzlich erbauten Testanlage durchgeführt. Die Verbrennung erfolgt in einem zunächst horizontal und dann vertikal verlaufenden Verbrennungsraum mit einer Nennleistung von 0,40 MWth. Die Vorgehensweise zur Untersuchung der Auswirkungen von Brennereinstellungen ist grundsätzlich in theoretische und experimentelle Betrachtungen unterteilt. In dem theoretischen Teil werden die relevanten Verbrennungskenngrößen auf Basis thermodynamischer Gleichgewichte berechnet und dienen als Grundlage zur Festlegung einiger wichtiger Betriebsbedingungen. Mithilfe eines kommerziellen CFD-Codes werden Simulationen einer nicht-reagierenden Strömung im Bereich des Brenners und Teilen des Feuerraums durchgeführt, um die Verteilung des Speisegases und Drallstärke im Brennernahbereich qualitativ bewerten zu können. Diese Vorhersagen werden zur Unterstützung der physikalischen Interpretationen der Daten und zur Berechnung der Drallzahl am Brenneraustritt angewendet. Während der experimentellen Untersuchungen wurden die Charakteristika der Diffusionsflammen zunächst in einer parametrischen Studie untersucht, um den Einfluss der Drallzahlen für drei verschiedene Werte sowie der Massenstromverhältnisse von sekundären zu tertiären Strömen auf die gesamte Verbrennung auszuwerten. Der zweite Teil des Testprogramms enthielt detaillierte Messungen innerhalb der Flamme für ausgewählte Betriebspunkte. Als Referenz diente die Luftverbrennung; insgesamt wurden vier Oxyfuel-Flammen untersucht. Messungen der lokalen Gastemperatur, der Gaszusammensetzung und des Strahlungswärmeaustauschs wurden mit standardisierten, wassergekühlten Messsonden insbesondere im Nahbrennerbereich durchgeführt. Der O2-Anteil vor dem Brenner wurde bei 31 Vol.-% gehalten und auf Grundlage der gleichen adiabatischen Flammentemperatur wie bei luftgefeuerter Verbrennung definiert. Messungen innerhalb der Flamme zeigten, dass die Verteilung der einfallenden Wärmestrahlung entlang der Flammenlänge nur geringfügig verändert ist, was darauf schließen lässt, dass die Festlegung des O2-Anteils für die Oxyfuel-Verbrennung passend gewählt wurde. Die Flammenstabilisierung erwies sich als stark abhängig vom O2-Anteil im Primärstrom, der Speisegas-Verteilung zwischen den sekundären und tertiären Zuführungen und der Drallstärke. Typ 1 Flammen mit einem stöchiometrischen Verhältnis von 1,17 wurden unter Luft- und Oxyfuel-Bedingungen erzeugt und detailliert untersucht. Aus detaillierten Untersuchungen der Strömungsmuster und Flammenstrukturen ergaben sich Hinweise auf eine radiale Flammenschichtung mit schrittweiser O2-Entmischung in dem zentralen Kohlejet. Die Erhöhung der Drallzahl und des Verhältnisses von Sekundär- zu Tertiär-Strömung verbessert die Vermischung der Kohlepartikel untereinander und erhöht die Temperaturen in der Nähe des Brenners. Eine bemerkenswerte Reduzierung der Temperaturen auf der Flammenachse wurde unter Oxyfuel-Bedingungen beobachtet. In der gleichen Region wurden höhere CO-Konzentrationen als mögliche Folge der CO2-Dissoziation und/oder der Vergasungsreaktion mit Wasserdampf und CO2 beobachtet. Sehr niedrige CO-Konzentrationen am Feuerraumaustritt, die einem hohen Partikelausbrand zugeordnet werden, zeigen an, dass Oxyfuel-Bedingungen hohe Wirkungsgrade für Typ 1 Flammen nicht verhindern. Obwohl die SO2-Konzentrationen bei Oxyfuel-Bedingungen höher waren, waren die Emissionsraten sehr ähnlich, was darauf hinweist, dass die SO2-Emissionen ausschließlich vom Schwefelgehalt der Kohle abhängig sind. Die aus der Parameteruntersuchung sowie Messungen in der Flamme erhaltenen experimentellen Daten deuten darauf hin, dass ein großes Potenzial zur NO-Reduktion durch die Flammenaerodynamik für die Oxyfuel-Verbrennung besteht. Die Experimente zeigten, dass die gestufte Zufuhr der Gasströme in einen Brenner eine effektive Technik zur Verbesserung der Flammenschichtung in brennstoffreiche und brennstoffmagere Zonen ist. Insbesondere die Kombination von hohem Drall und hohem Verhältnis von Sekundär- zu Tertiär-Strömung resultierte letztendlich in eine signifikante NO-Reduktion.show moreshow less

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Metadaten
Author: Corrêa da Silva, Rodrigo
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27489
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Krautz, Hans Joachim
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Date of final exam:2013/02/25
Release Date:2013/03/08
Tag:Brenner; Oxyfuel; Staubfeuerung; Trockenbraunkohle; Verbrennung
Burner; Coal; Combustion; Lignite; Oxy-fuel
GND Keyword:Kohlenstaubbrenner; Oxyfuel-Verfahren
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Kraftwerkstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Kraftwerkstechnik