Porenbrennertechnologie

Grundlagen

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsprozessen reagiert das Brennstoff-Luft-Gemisch bei der Porenbrennertechnologie nicht mehr als freie Flamme ab; vielmehr vollzieht sich die Verbrennung innerhalb der dreidimensional angeordneten Hohlräume eines porösen inerten Mediums. Dadurch ergibt sich zum einen ein völlig anderes Erscheinungsbild der Flamme, zum anderen gehen mit einer solchen Art der Reaktionsführung folgende Vorteile einher:

  • steuerbares, homogenes Temperaturniveau in der Verbrennungszone
  • hohe, stufenlose Leistungsmodulation mit Werten bis 1:20 gegenüber 1:3 bei heutigen Brennern,
  • hohe Leistungsdichte, d. h. kleine Bauform von Brennern und Wärmeübertragereinheiten, die etwa 1:10 kleiner ausfallen können als heutige Einheiten gleicher Leistung,
  • Komplexe Brennraumgeometrien können realisiert werden (kreisförmige oder rechteckige Grundflächen, auch ring- oder scheibenförmige Geometrien sind möglich)
  • geringe Schadstoffemissionen,
  • Hohe Verbrennungsstabilität, aufgrund der thermischen Trägheit des Porenkörpers (dadurch auch stabiler Abbrand von extrem mageren oder niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemischen).

Das wichtigste Kriterium, das festlegt, ob ein Verbrennungsprozess in einer porösen Struktur ablaufen kann, ist deren kritische Porengröße. Ist die Größe der Poren kleiner als dieses kritische Maß, kann sich keine Flamme ausbreiten, die Flamme wird stets gelöscht. Liegt dagegen die Porengröße oberhalb des kritischen Maßes, ist eine Flammenausbreitung in der porösen Struktur möglich. Die Bestimmung der kritischen Porengröße kann über eine modifizierte Péclet-Zahl erfolgen. Die Stabilisierung des Verbrennungsprozesses erfolgt beim Porenbrenner durch eine sprunghafte Änderung der Porengröße (und damit der Péclet-Zahl) innerhalb des Verbrennungsreaktors. In der Region A sind die Verhältnisse derart, dass keine Flammenausbreitung möglich ist. In der Region C sind die Poren ausreichend groß, um eine Flammenausbreitung zu ermöglichen.

Schematische Darstellung eines Porenbrenner

Abb.: Schematischer Aufbau eines Porenbrenners

 

Poröse Medien in der Verbrennungstechnik

Als poröse Medien eignen sich unterschiedlichste Materialien in verschiedenen Geometrien und Ausführungsformen. Kernpunkt ist die Erfüllung einiger wichtiger Eigenschaften:

  • Die oxidierende Atmosphäre und die hohen Temperaturen erfordern temperatur- und korrosionsbeständige Werkstoffe.
  • Die beim Betrieb, vor allem bei An- und Abfahrvorgängen auftretenden, hohen räumlichen und zeitlichen Temperaturgradienten erfordern eine gute Temperaturwechselbeständigkeit des Werkstoffes, d. h. der Porenkörper muss eine geeignete Geometrie, einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und gute mechanische Kennwerte aufweisen, um den Beanspruchungen standzuhalten.
  • Gute Wärmetransporteigenschaften des Porenkörpers sind nötig, um ein homogenes Temperaturfeld zu erzeugen und Spitzentemperaturen abzubauen. Diese Eigenschaften werden im Wesentlichen durch Wärmeleitfähigkeit, Strahlungsemissionskoeffizienten und Porenstruktur festgelegt.

Bei Verbrennungen sind im Allgemeinen Temperaturen oberhalb von 1300 °C zu erwarten, weswegen herkömmliche metallische Werkstoffe ausscheiden. Man greift daher und aufgrund der oxidierenden Atmosphäre auf keramische Wertstoffe oder spezielle Legierungen (FeCrAl-, Ni-Basis-Legierungen) zurück. Dabei sind Aluminiumoxid, Siliciumcarbid und Zirkoniumoxid die am häufigsten gewählten keramischen Werkstoffe für Porenkörper. Jedes dieser Materialen hat unterschiedliche Vorzüge und Einsatzgebiete: Aluminiumoxid ist kostengünstig, besitzt eine mittlere Wärmeleitfähigkeit und ist für sehr hohe Temperaturen geeignet. Siliciumcarbid hat eine sehr große Temperaturwechselbeständigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und weist hohe Strahlungsemissionskoeffizienten auf. Stabilisiertes Zirkoniumoxid verfügt über eine extrem hohe Anwendungstemperatur und eine gute Temperaturwechselbeständigkeit.

Poröse Medien

 

Einsatzmöglichkeiten der Porenbrennertechnologie

Die vielfältigen technischen Vorteile erlauben den Einsatz der Porenbrennertechnologie in vielfältigen Anwendungsbereichen von Brenner- und Heizungstechnologien. Bis heute sind bereits ca. 40 Anwendungen untersucht, in denen die Porenbrennertechnologie eingesetzt werden kann. Technische Realisierungen in einem Evaluierungs-, Pilot-, oder Markteinführungsmaßstab haben beispielsweise in den folgenden etablierten Anwendungsgebieten stattgefunden:

  • in Gas-Brennwert-Thermen (vom DVGW für Feldtestzwecke zertifiziert)
  • in Öl-Brennwert-Thermen (mit Öl-Verdampfer-Technologie, im Feldtest realisiert, TÜV-zertifiziert, EU-Projekt BIOFLAM)
  • als Industrieller IR-Strahler (für T > 1.400 °C, unter dem Markennamen RADIMAX von der Firma GoGas Goch GmbH & Co.KG, Dortmund, inzwischen vermarktet)
  • als Brenner für Hochtemperaturanlagen (z. B. in der Glasindustrie)
  • als Oxy-Fuel-Strahlungsbrenner (EU-Projekt HITRABU, Prototyp)
  • in kompakten Dampferzeugern ("Zero Emission Engine" ZEE, Prototyp)
  • in Automobil-Zusatzheizungen (von der Bayerischen Forschungsstiftung gefördertes Projekt "Porenbrenner für innovative Heiztechniken")
  • zur HCl-Synthese für die chemische Industrie
  • zur Nachverbrennung für Brennstoffzellensysteme
  • zur Synthesegaserzeugung durch thermische partielle Oxidation
  • als Pilotbrenner für Gasturbinen
  • zur Beheizung von Stirling-Erhitzerköpfen
  • zur Schwachgasverbrennung ( z. B. bei Deponien, Kläranlagen, Viehzuchtbetrieben, Hochöfen oder Brennstoffzellensystemen mit Kohlenwasserstoffreformierung, vielversprechende Evaluierungsstudie)