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NOx-Bildung

Sowohl im Verkehrssektor als auch bei der Energieerzeugung werden heute in erster Linie Verbrennungssysteme zur Umwandlung der in Brennstoffen gebundenen chemischen Energie in die gewünschte Nutzenergie verwendet. Da die Verbrennung fossiler Brennstoffe heute als der größte Verursacher von Stickstoffoxiden gilt, sind Reduktionsmaßnahmen für Stickstoffoxidbildung ein inzwischen fest in die technische Entwicklung von Verbrennungssystemen integrierter Bestandteil geworden. Als aktuelle Forschungsschwerpunkte werden sowohl Untersuchungen zu den chemischen Enstehungsmechanismen als auch zur technischen Realisierung von Reduktionsmaßnahmen durchgeführt.
Eine kurze Einführung über die schädliche Wirkung von Stickoxiden (auch: Stickstoffoxide) ist beim Umweltbundesamt Berlin einzusehen. 


Entstehung

Als Stickstoffoxide werden die chemisch nah verwandten Verbindungen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) zusammengefasst. NO und NO2 entstehen bei Verbrennungsprozessen mit hohen Temperaturen aus dem im Brennstoff enthaltenen Stickstoff und dem Luftsauerstoff. Dabei wird zu über 90% Stickstoffmonoxid gebildet, das in der Atmosphäre mit dem Luftsauerstoff sehr schnell zu Stickstoffdioxid oxidiert wird. Der größte Verursacher von Stickoxiden ist der Kraftfahrzeugverkehr. Außerdem tragen industrielle Verbrennungsprozesse und Hausheizungen zur Belastung durch Stickstoffoxide bei.
Stickstoffdioxid (NO2) ist ein starkes Oxidationsmittel und bildet bei Kontakt mit Wasser Salpetersäure (HNO3).

Wirkung

Beim Einatmen dringt NO2 weit bis in die unteren Atemwege vor. Bei längerer Einwirkung kann NO2 zu chronischer Bronchitis und einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Atemwegsinfektionen führen ist. Bei Kindern ein erhöhtes Auftreten von Atemwegserkrankungen belegt.
An Pflanzen kann Stickstoffdioxid zu Schädigungen der Blätter oder Nadeln führen. Über die Bildung von Salpetersäure trägt NO2 zur Gewässerversauerung bei. In Biotopen mit nährstoffarmen Böden und entsprechend spezialisierter Vegetation führt der Eintrag von Stickstoff und der damit einhergehenden Überdüngung zu einer gravierenden Veränderung des biologischen Systems. Stickstoffdioxid ist außerdem einer der Grundbausteine für die Bildung von Ozon.
Eine Reduzierung von NO und NO2 in der Atmosphäre kann am wirksamsten durch die Verminderung der Kfz-Abgase z.B. durch Motoren mit geringen Treibstoffverbrauch, das Nutzen öffentlicher Verkehrsmittel oder schlicht durch das Vermeiden unnötiger Fahrten erreicht werden.



Quelle: INTERREG III


Zusäzliche Informationen zu diesem Thema
  • Reaktionskinetik der NOx-Bildung bei der Abfallverbrennung
 
 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


CYPRESS Future Engine Cycle Prediction and Emission Study
(G4RD-CT-2000-00383)

Die Zielsetzung des CYPRESS - Projekts besteht darin, die weitere Entwicklung im Bereich der Fluggasturbinen für die Zukunft (17 - 20 Jahre) vorherzusagen. Weiterhin sollen die von diesen Turbinen hervorgerufenen Emissionen vorhergesagt werden.

Die Designänderungen werden nicht nur durch kommerzielle Aspekte bedingt, wie zum Beispiel die Verminderung des Kraftstoffverbrauchs, sondern auch durch die Zielsetzung des Kyoto Protokols, die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren.

Diese hierfür notwendigen Änderungen beeinflussen jedoch andere Emissionsbestandteile, wie zum Beispiel die Stickstoffoxide.

CYPRESS untersucht daher die Einflüsse der Designänderungen auf die Verküpfung zwischen CO2 und NOx.

Der Bereich Verbrennungstechnik des Engler-Bunte-Institutes entwickelt im Rahmen des CYPRESS Projektes ein Reaktornetzwerk, welches die Brennkammer der Fluggasturbine hinsichtlich der relevanten Abgaskomponenten repräsentieren kann.

Mit diesem Netzwerk idealer Reaktoren werden anschließend Berechnungen der Emissionen verschiedener Triebwerksfamilien vorgenommen.


Innovative Ultra Low NOx Injection System development
(TECC-AE_WP5)
Hauptzielstellung des Projekts ist das Design und die Entwicklung eines innovativen Einspritzsystems für geringe NOx Emissionen ("Ultra Low NOx")
Die Vorgehensweise ist dabei die Folgende:

  1. Konzeptionelle Auslegung
  2. CFD Optimierung und Definition von Skalierungsgesetzmäßigkeiten
  3. Experimentelle Untersuchung der mageren Verlöschgrenze, der Flammenstruktur und der Emissionen bei atmosphärischen und erhöhten Druckbedingungen.

Experimental study of a high-strain burner
(KW21-BWW)

Designing of a prototype gas turbine combustor to achieve low NOx emissions (less than 25 ppm) using high strain burner working in diffusion mode. Lifted turbulent lean partially premixed flame posseses the advantages of both, premixed and diffusion flames. In this study, a lifted turbulent partially premixed flame is stablized in a hot environment using a high strain fuel jet. In the present design, staged combstion is used. In the primary combustion stage which is also called hot vitiated air genertor employs an in-house built air blast swirl burner. The swirl burner operates with Jet-A fuel. It produces hot vitiated air with different temperatures ranging from 1100-1400 deg. C and different pressures ranging from 0.5-1.8 MPa. In the secondary stage combustion, a high strain oil cooled burner is used for injecting natural gas at very high velocities into the hot vitiated air in order to achieve a stable,lifted turbulent partially premixed flame. After the secondary stage combustion, the temperature and the exhasut gas emissions are measured using accurate instruments. Our initial results proved that it is possible to achieve a very low NOx emissions (less than 25 ppm) using a staged combustion chamber consiting of a swirl burner operating with Jet-A fuel and a high strain burner operating with natural gas for the operating conditions of a gas turbine.


Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt B1: Rußbildung in nicht-adiabaten, instationären Flammen in laminarer und turbulenter Strömung unter Berücksichtigung der Flamme-Wand-Interaktion
(SFB_606_-_B1)
Die Ausbreitung von nicht adiabaten, teilweise vorgemischten Flammen in instationären, turbulenten Strömungs-, Druck- und Temperaturfeldern ist wesentlich für die motorische Verbrennung und die Verbrennung in Gasturbinen. Hierbei ist insbesondere die Wirkung kalter Wände (Brennraumwände von Verbrennungsmotoren Brennkammerwände von Gasturbinen) eine wichtige Einflussgröße, da der strahlungsbedingte Wärmeentzug aus der Flamme die Struktur der Flamme beeinflusst, die Ausbreitungsgeschwindigkeit reduziert sowie die Bildung von Schadstoffen (NOx, Ruß) beeinflusst. In diesem Teilprojekt soll die Rußbildung in nicht-adiabaten Flammen in instationären, laminaren und später auch turbulenten Strömungsfeldern unter dem Einfluß kalter Wände untersucht werden.

Alternative Fuels and Biofuels for Aircraft Development
(ALFA_BIRD)
ALFA-BIRD zielt auf eine Weiterentwicklung bezüglich der Benutzung von alternativen Brennstoffen in der Luftfahrt. In der momentanen Situation steigender Ölpreise und den mit der Benutzung fossiler Brennstoffe verbundenen Auswirkungen auf  den Klimawandel ist ein weiteres Wachstum des Flugverkehrs abhängig von dessen Umweltverträglichkeit.  In diesem Zusammenhang ist eine in Zukunft mögliche Benutzung alternativer Brennstoffe wünschenswert, stellt aber eine große Herausforderung an die technische Realisierung dar. ALFA-BIRD führt daher eine multidisziplinäres Konsortium bestehend aus in der Luftfahrt führenden, industriellen Partnern (Antriebs- und Flugzeughersteller), Brennstoffindustrie und Forschungseinrichtungen zusammen, die ein breites Spektrum an Expertise für die Felder Biochemie und Verbrennungstechnik enbenso wie industrieller Sicherheit abdecken. Durch diese Zusammenführung von Wissen wird das Konsortium die gesammte Kette für saubere alternative Brennstoffe entwickeln, die für die Luftfahrt erforderlich ist.  Die vielversprechendsten Lösungen werden während der Projektlaufzeit untersucht werden. Dies beginnt bei klassischen Brennstoffen (Planzenöle, synthetische Öle) bis zu den höchst innovativen Brennstoffen wie z. B. neue organische Moleküle.
 


Das Karlsruhe Institut für Technologie wird in diesem Zusammenhang ein industrielles schadstoffarmes ("low NOx") Einspritzsystem, das mit alternativen Brennstoffen und im Vergleich dazu mit Standard Jet A-1 Kerosin betrieben wird, untersuchen. Für die Anwendung alternativer Brennstoffe ist die Kenntnis der Flammenkontur, der mageren Verlöschgrenze und der zu erwartenden Emissionen durch ein System basierend auf solch einer Düse entscheidend wichtig. Die Flammenkontur ist in diesem Zusammenhang eine wichtige Größe für das Design der Brennkammergeometrie, die magere Verlöschgrenze bestimmt die Luftaufteilung des Designs und die Emissionen müssen den ICAO Standard erfüllen.




Primärseitige Stickoxidminderung als Beispiel für die Optimierung des Verbrennungsvorgangs in Abfallverbrenungsanlagen Teilprojekt 2: Reaktionskinetik der NOx-Bildung
(HGF11_99)
Unter Wahrung der gesetzlichen Vorschriften bezüglich des Ausbrandes (Kohlenstoffgehalt und Inertisierung der Schlacken) soll die Stickoxidbildung im Feuerraum von Abfallverbrennungsanlagen soweit reduziert werden, dass sich kostenintensive Sekundärmaßnahmen für diese Schadstoffe erübrigen. Dadurch wird ein Beitrag zur Kostensenkung bei der thermischen Entsorgung und Verwertung von Abfällen erbracht, ohne die erreichten hohen ökologischen Standards zu gefährden.
Ziel des Teiprojektes 2 ist die Erstellung eines reaktionskinetischen Modells zur Beschreibung der Gasphasenreaktionen stickstoffhaltiger Spezies, die bei der Pyrolyse des Abfalls entstehen. Dieses Modell muss so einfach gestaltet sein, dass es in ein numerisches Feuerraummodell eingebaut werden kann.