Verkokung flüssiger Brennstoffe

Einfluss des Verdunstungsverhaltens auf die Verkokungsneigung von flüssigen Brennstoffen auf benetzten Oberflächen

Projektbeschreibung

In den letzten Jahren haben sich auf dem Brenn- und Kraftstoffmarkt maßgebliche Änderungen hinsichtlich der Zusammensetzung und Qualität insbesondere für die flüssigen Energieträger ergeben. Bei der Zumischung von alternativen oder biogenen Komponenten, wie FAME, HVO, BtL und GtL zu fossilen Brennstoffen können sich die Eigenschaften maßgeblich ändern.

Die Gemischbildung ist in Verbrennungssystemen für flüssige Brennstoffe ein kritischer Vorgang, da sie entscheidend für einen effizienten und sauberen Verbrennungsprozess ist. Um hohe Verdunstungsraten zu erzielen, muss daher ein hoher Wärmeeintrag in den flüssigen Brennstoff realisiert werden. Bei den gängigen Verdunstungskonzepten kommt es in der technischen Anwendung zu einer beabsichtigten oder gegebenenfalls zu einer unbeabsichtigten Benetzung von Brennerbauteilen. Hierbei tritt ein charakteristisches Schadensbild auf, das sich durch die massive Bildung von Ablagerungen fester Kohlenwasserstoffprodukte auf den benetzten Flächen zeigen kann. Sie entstehen durch Reaktionen in der Flüssigphase (z.B. Pyrolyse) aufgrund lokaler Überhitzung. Es wurde beobachtet, dass die Zumischung von bestimmten biogenen Anteilen in den Brennstoff zu einer Verstärkung der Ablagerungsproblematik führen kann. Die beobachteten Strukturen und Zusammensetzungen dieser Ablagerungen sind ausgesprochen vielfältig und im Einzelfall zu untersuchen. Das Schadensbild selbst wird im technischen Sprachgebrauch als „Verkokung“ bezeichnet.

Für die technische Umsetzung von Ansätzen zur Vermeidung der Ablagerungsbildung ist die Kenntnis des Verdunstungs- und Ablagerungsbildungsverhaltens auf benetzten Oberflächen notwendig. Derzeit existiert keine einheitliche Modellvorstellung über das Verdunstungsverhalten von Mehrkomponentenbrennstoffen auf benetzten Oberflächen unter Verbrennungsbedingungen. Grund hierfür ist auch, dass aktuell keine Analysemethodik existiert, mit der sich das Verdunstungs- und Ablagerungsbildungsverhalten unter definierten Randbedingungen nachbilden und quantitativ beschreiben lässt.

Ziele des Projekts

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Prozess

• der Verdunstung flüssiger Brennstoffe auf benetzten Oberflächen,
• der Ablagerungsbildung
• und schließlich den Abbau der Ablagerungen durch Pyrolyse/Oxidation

in einem reproduzierbaren und unter Laborbedingungen darstellbaren Verfahren nachzubilden und zu analysieren. Hierfür soll das bekannte Verfahren der thermogravimetrischen Analyse (TGA) derart erweitert werden, dass durch eine Anpassung der Prozessparameter (Aufheizrate, Atmosphäre) die Temperatur der benetzten Oberfläche sowie die Verdunstungsrate des Brennstoffs exakt eingestellt werden und die Bildung von Ablagerungen gezielt dargestellt werden kann.

Im zweiten Teil Projektes werden die Erkenntnisse des Analyseverfahrens dazu verwendet, die Ablagerungsbildung entweder weitestgehend zu vermeiden oder aber gebildete Ablagerung durch eine geeignete Prozessführung zu reduzieren. Hierfür werden zwei Prüfstände entwickelt, mit denen sich die Verkokungsneigung unterschiedlicher technischer Gemischaufbereitungssysteme (Vliesverdampfer und Dralldruckzerstäuber) untersuchen lässt.

Arbeitsaufgaben OWI

• Untersuchung des Einflusses des Verdampfungsverhaltens auf die Ablagerungsbildungsneigung von alternativen Brennstoffen
• Ermittlung temperaturabhängiger Stoffdaten von alternativen Brennstoffen
• Mathematische Modellierung des Verdunstungsverhaltens alternativer Brennstoffe
• Anwendungstechnische Untersuchung in einer idealisierten Prüfapparatur zur Ermittlung des Verdampfungsverhaltens und der Ablagerungsbildung von Brennstofffilmen auf heißen Oberflächen und Brennstoffsprays in heißen Gasatmosphären

Durchführende Forschungsstellen

• Oel-Waerme-Institut gGmbH, Herzogenrath (OWI)
• Lehrstuhl für Analytische Chemie der Universität Rostock

Projektförderung

Das IGF-Vorhaben 18675 N der Forschungsvereinigung Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e.V. – DGMK, Überseering 40, 22297 Hamburg wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Projektlaufzeit

04/ 2015 bis 12/ 2017

Kontakt

Sebastian Feldhoff
Tel.: 02407/ 9518-117
E-Mail: S.Feldhoff@owi-aachen.de