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Ein FLOX-Brenner heizt die Brennkammer des Teststands im flammenlosen Betrieb gleichmäßig und schadstoffarm auf.
© WS Wärmeprozesstechnik GmbH
Flammenlose Industriebrenner
24.11.2016

Für die experimentellen Untersuchungen an großen FLOX-Brennern entwickelten die Wissenschaftler einen Versuchsofen mit einer zylindrischen Brennkammer.
© WS Wärmeprozesstechnik GmbH

Im Flammen-Modus wird der FLOX-Brenner vorgeheizt.
© WS Wärmeprozesstechnik GmbH

FLOX-Brenner werden Mega

In vielen Hochtemperaturprozessen sorgen sogenannte FLOX-Brenner für die optimale Brennstoffnutzung bei niedrigen Schadstoff-Emissionen. Im mittleren Leistungsbereich zwischen 20 und 300 Kilowatt hat sich die flammenlose Oxidation – FLOX genannt – bereits etabliert. Wissenschaftler arbeiten in dem Projekt Mega-FLOX nun daran, den Leistungsbereich zu erweitern. Das eröffnet neue Einsatzgebiete.

Mit experimentellen Untersuchungen und Computersimulationen haben Forscher der WS Wärmeprozesstechnik und der RWTH Aachen Methoden und Instrumente entwickelt, mit denen sich die Brennergrößen skalieren lassen. Für die Versuche bauten die Forscher einen FLOX-Brenner im Megawattbereich, der mit wenigen Modifikationen zur serienreife gebracht werden könnte. Aber nicht nur große Megawattbrenner lassen sich damit entwickeln, sondern auch Kleinbrenner, beispielsweise für Mikrogasturbinen. Als entscheidende Vorteile der Technologie sieht Joachim Wünning, Projektleiter und Geschäftsführer bei WS Wärmeprozesstechnik, nicht nur die geringen Stickoxidemissionen: „Der FLOX-Prozess ist besonders flexibel bei der Brenngaszusammensetzung. Er eignet sich sowohl für synthetische Gase, Restgase und Schwachgase. Deshalb können die Brenner auch bei Anwendungen Vorteile bieten, bei denen es gar keine Stickoxidprobleme gibt – etwa dort, bei denen konventionelle Brenner nicht einwandfrei funktionieren.“

Dadurch eröffnen sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Bisher werden FLOX- Brenner in vielen industriellen Prozessen eingesetzt, vorwiegend im Bereich der Wärmebehandlung von Metallen, beispielsweise in Glüh-, Härte oder Vergüteanlagen. Mit größerer Leistung im Megawattbereich könnten FLOX – Brenner in Reformern der Chemieindustrie oder großen Wärm- und Prozessöfen gute Einsatzchancen haben. Bei Power-to-Gas-Anlagen eignen sich FLOX-Brenner auch dazu, Schwachgase zu nutzen, die anderweitig nicht verwertet würden.

Schadstoffarm trotz hoher Temperaturen

Industrieöfen arbeiten meist bei sehr hohen Prozesstemperaturen. Entsprechend heiß verlassen die Brennerabgase den Ofenraum. Diese Energieverluste lassen sich mit Rekuperatorbrennern minimieren, die die Abgase zur Vorwärmung der Brennluft nutzen. Jedoch steigt bei höheren Temperaturen der Brennluft auch die Bildung von Stickoxiden. Gerade die Stickoxid-Emissionen sind eine maßgebliche Herausforderung bei Hochtemperaturprozessen. Häufig lassen sich die Grenzwerte der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) nur durch eine nachgeschaltete aufwendige Reinigung der Abgase erreichen.
Luftstickstoff oxidiert in besonderem Maße in den heißen Zonen der Flammenfront. Bei FLOX-Brennern entstehen hingegen kaum Stickoxide, obwohl auch sie die Brennluft mit dem Abgas vorwärmen. Der entscheidende Unterschied zu konventionellen Rekuperatorbrennern ist die flammenlose Oxidation des Brenngases – ohne die Temperaturspitzen einer Flammenfront. Dies führt zu einer gleichmäßigen Ofentemperatur, die bei geringen Stickstoffemissionen bis zu etwa 1.400 Grad Celsius aufrechterhalten werden kann.

Die Verbrennung ohne Flamme lässt sich durch eine ausgeklügelte Durchmischung von Brenngas, Brennluft und rückzirkulierendem Abgas erreichen. Brenngas und Verbrennungsluft strömen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in die Brennkammer. Eine starke interne Abgaszirkulation vermischt Luft und Abgas in der Brennkammer und dieses Gemisch dann verzögert mit dem Brenngas. Dies führt dazu, dass oberhalb einer Temperatur von etwa 650 Grad Celsius eine flammenlose Oxidation  stattfindet. Entsprechend stellen sich im gesamten Ofenvolumen sehr homogene Temperaturen ein. Stickstoffoxide, die vor allem an Flammenfronten mit hohen Spitzentemperaturen entstehen, werden kaum noch gebildet. Die gute Durchmischung sorgt für eine vollständige Verbrennung, sodass auch die Kohlenmonoxid-Konzentration im Abgas vernachlässigbar ist.

FLOX – wie alles begann

Versuche bei der WS Wärmeprozesstechnik an einem Rekuperatorbrenner, die Ende 1989 begannen, führten zu einer überraschenden Beobachtung: Bei Ofentemperaturen von 1.000 Grad Celsius und bei einer Luftvorwärmung von 650 Grad Celsius zeigte das Überwachungsgerät für die Brennerflamme kein Signal mehr und es war auch kein Flammgeräusch mehr zu hören. Trotzdem verbrannte der Brennstoff vollständig. Der Kohlenmonoxidgehalt des Abgases lag unter 1 ppm und die NOx-Emissionen waren so niedrig, dass zunächst eine Fehlfunktion des Messgerätes vermutet wurde. Dennoch war die Verbrennung stabil und gleichmäßig, ohne dass sich eine Flamme ausbildete. Das Phänomen nannten die Wissenschaftler flammenlose Oxidation (FLOX).

(me)

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RWTH Aachen, IOB

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Infotipp

Flammenlose Verbrennung
BINE-Projektinfo 7/2006