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Experimental and numerical studies of laminar counter-flow diffusion flames using biomass-based gaseous fuels

Scharl, Marie-Theres

FG Energieverfahrenstechnik und Umwandlungstechniken regenerativer Energien

Thermochemical conversion processes are regarded as promising alternatives for decentralized energetic utilization of biomass. Pyrolysis and gasification of (woody) biomasses present a possibility to produce a fuel gas to be used, among other applications, in internal combustion engines or turbines as part of combined heat and power generation (CHP). This thesis aims to gain a deeper understanding of the utilization of biomass-based gaseous model fuels in combustion systems. This is investigated in the present thesis, combining both experimental studies and numerical simulations of laminar non-premixed flames in a counter-flow burner set-up. To this end, a counter-flow burner system was designed and built as the central part of a spectroscopic measuring system to validate an in-house time-dependent implicit Fortran code for diffusion flames named DIFFLA. This was foremost achieved by spectroscopic laser-induced fluorescence measurements of formaldehyde and Rayleigh scattering experiments, deducing temperature fields in flames. Furthermore, CH* chemiluminescence experiments were performed. These diagnostic tools were all utilized to analyze flame behavior and flame structure by providing an accurate understanding via temperature distributions, the tracking of intermediate species, and by localizing the flame front. This study focuses on synthetic gas mixtures consisting of multiple components, resembling, to different extents, typical compositions of the product gas obtained in biomass gasification or pyrolysis processes. Diluted methane as reference fuels and further fuels composed of N2, H2, CO, CO2, and CH4 were investigated, partially adding O2 to fuel or oxidizer. In all cases, the oxidizer was air, and a wide range of air-fuel ratios was considered. Furthermore, the presented system comprised a range of flames combusting at strain rates starting at around 60 s-1 leading up to circa 250 s-1. Therefore, incorporating the boundary condition at very low fuel- and oxidizer velocities for combustion, though not including the other limiting condition, at strain out. The influence of the product gas composition on the flame behavior and flame structure, with respect to the changes of the species profiles and peak temperatures with changing flow velocities, was investigated. All in all, illuminating the combustion mechanisms of these hydrocarbon mixtures from multiple perspectives and providing valuable information about the operations with different synthetic biomass-based gaseous model fuels.
Thermochemische Konversionsverfahren werden als vielversprechende Alternativen zur dezentralen energetischen Nutzung von Biomasse gehandelt. Pyrolyse und Vergasung von (holzigen) Biomassen stellen Möglichkeiten dar ein Brenngas zu erzeugen, das, unter anderem, in Verbrennungsmotoren oder Turbinen im Rahmen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eingesetzt werden kann. Ziel dieser Arbeit ist es, ein tieferes Verständnis für die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen, die aus thermochemischen Konversionsverfahren gewonnen wurden, zu erlangen. Dies wird durch die Gegenüberstellung von experimentellen Untersuchungen zu numerischen Simulationen verschiedener laminarer, nicht vorgemischter Flammen in einem Gegenstrombrenner erreicht. Zu diesem Zweck wurde ein Gegenstrombrennersystem als zentraler Teil eines spektroskopischen Messsystems entworfen und gebaut, um den hauseigenen zeitabhängigen und impliziten Fortran-Code für Diffusionsflammen namens DIFFLA zu validieren. Dies geschah in erster Linie durch spektroskopische laserinduzierte Fluoreszenzmessungen von Formaldehyd und durch Rayleigh Streuungsexperimente, die auf Temperaturfelder in den Flammen schließen lassen. Des Weiteren wurden Messungen von CH*-Chemilumineszenz durchgeführt. Diese Diagnosewerkzeuge wurden alle genutzt, um das Flammenverhalten und die Flammenstruktur zu analysieren, indem sie einen genauen Zusammenhang über Temperaturverteilungen, die Verläufe der Zwischenspezies und die Lokalisierung der Flammenfront herstellen. Diese Studie befasst sich mit synthetischen Gasgemischen, welche, in unterschiedlichem Maße, den typischen Zusammensetzungen der Produktgase ähneln, die bei Vergasungs- oder Pyrolyseprozessen von Biomasse entstehen. Untersucht wurde verdünntes Methan als Referenz und Brennstoffe, welche zusammengesetzt waren aus N2, H2, CO, CO2 und CH4. Zusätzlich wurde dem Brennstoff oder Oxidator teilweise O2 zugegeben. In allen Fällen war der Oxidator Luft und es wurde ein breiter Bereich von Luft-Kraftstoff-Verhältnissen berücksichtigt. In dieser Studie wurden Flammen die bei der Dehnungsgeschwindigkeiten von ca. 60 s-1 bis hin zu ca. 250 s-1 verbrannten in Betracht gezogen. Damit ist die Randbedingung sehr niedriger Brennstoff- und Oxidationsströmungsgeschwindigkeiten beachtet worden, weniger die mögliche andere Randbedingung des sogenannten „strain-out“. Untersucht wurde der Einfluss der Produktgaszusammensetzung auf das Flammenverhalten und die Flammenstruktur im Hinblick auf die Änderungen der Speziesprofile und Spitzentemperaturen bei wechselnden Strömungsgeschwindigkeiten. Insgesamt werden die Verbrennungsmechanismen dieser Kohlenwasserstoffgemische X aus mehreren Blickwinkeln beleuchtet und liefern somit wertvolle Informationen für die Nutzung verschiedener gasförmiger Brennstoffe auf Basis von holziger Biomasse.
  • The printed version includes ISBN 978-3-948268-51-0.