Reaktionskinetik der NOx-Bildung bei der Abfallverbrennung

Bei der Abfallverbrennung wird die Stickoxidbildung vor allem durch den im Brennstoff selbst gebundenen Stickstoff verursacht. Aufgrund des geringen Temperaturniveaus von 800 - 1000 °C spielt die sogenannte Thermische Stickoxidbildung aus dem Stickstoff der Verbrennungsluft keine Rolle. Gelangt der stickstoffhaltige Abfall in die heiße Verbrennungsanlage, so wird er zunächst thermisch zersetzt (pyrolysiert). Dabei wird der im Feststoff gebundene Stickstoff zum größten Teil in gasförmige Produkte wie z.B. NH3, HCN oder Nitrile überführt. Diese stickstoffhaltigen Gasspezies gehen weiterhin eine Vielzahl von Umwandlungsreaktionen und Reaktionen mit anderen Pyrolyseprodukten sowie mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft ein. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung dieser Reaktionen, um ein Verständnis darüber zu bekommen, wie die unerwünschten Stickoxide (NO, NO2, N2O) gebildet werden.

Zur Berechnung solcher komplizierter Reaktionsvorgänge werden Reaktionsmechanismen verwendet, die eine Zusammenfassung vieler einzelner Elementarreaktionen darstellen. Ein Mechanismus, der die Gasphasenkinetik von C2-Kohlenwasserstoffen und einfachen Stickstoffspezies wie HCN, NH3 oder NO beschreibt, umfasst ca. 500 Elementarreaktionen mit etwa 60 verschiedenen Gasspezies.

Die Validierung und Erweiterung solcher Reaktionsmechanismen erfordert experimentelle Untersuchungen. Dazu wurde ein Kolbenströmungsreaktor aufgebaut. Der Reaktor besteht aus einem 2m langen Reaktionsrohr, das von einem künstlich erzeugten Pyrolysegas turbulent durchströmt wird. Am Anfang des Reaktionsrohres wird die zu untersuchende stickstoffhaltige Gasspezies eingedüst und sehr schnell mit dem anströmenden Pyrolysegas vermischt. Die Abbildungen zeigen den Innenraum des Reaktors. In der Mitte befindet sich die Düse zur Einmischung der stickstoffhaltigen Gasspezies. Sie ist von der blau brennenden, weiter unten liegenden Primärflammme umgeben. Die Innenwand des ca. 1000°C heißen Keramikrohres leuchtet orange bis gelb. An verschiedenen Positionen stromab der Eindüsung wird dann die Gaszusammensetzung gemessen. Man erhält so einen zeitlichen Verlauf der gemessenen Konzentrationen, aus denen man schließlich durch Berechnungen die reaktionskinetischen Daten der Reaktionen abschätzen kann bzw. schon vorhandene Daten verbessern kann.

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