English Title: Modeling and Simulation of a Lamella Burner and a Diffusion Reactor to Reduce Toxic Emissions

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Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war die Modellierung und die Simulation von zwei Problemen aus dem komplexen Themengebiet der reaktiven Strömung. Beide Fälle wurden mit Hilfe von detaillierten Reaktionsmechanismen und Transportmodellen behandelt. Zunächst wurde eine laminare Flamme in einem industriellen Lamellenbrenner untersucht. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit stellt die Oxidation von Ammoniak in einem Diffusionsreaktor dar. Gemeinsames Ziel beider Themen ist die Reduzierung von Schadstoff-Emissionen durch Optimierung von Reaktionsbedingungen. Während der Lamellenbrenner ein Beispiel einer vorgemischten Methan-Flamme mit großen Temperaturgradienten darstellt, zeichnet sich der Diffusionsreaktor durch ein Mischungsproblem von verdünntem Ammoniak unter isothermischen Bedingungen aus. Folgende wichtigen Ergebnisse in Bezug auf den Brenner werden herausgearbeitet: Die Schadstoff-Emissionen steigen mit wachsender Eintrittsgeschwindigkeit. Die Temperatur an den Lamellen und die Luftzahl sind wichtige Parameter für die Flammenstabilität: Höhere Temperaturen an den oberen Lamellenkanten erhöhen die Flammenstabilität. Die optimale Luftzahl bezüglich der Schadstoff-Emissionen liegt zwischen 1,15 und 1,30. Eine Geometrieoptimierung des Brenners wird in der Arbeit ebenfalls durchgeführt. Unterschiedliche Lamellenlängen haben einen positiven Effekt auf die Abgastemperatur und auf die Schadstoff-Emissionen. Weiterhin erhöht sich damit die Flammenstabilität. Eine Verminderung der Schadstoff-Emissionen kann durch längere und dünnere Lamellen sowie durch größere Abstände erzielt werden. Im Fall des Diffusionsreaktors wird der Einfluss der Temperatur und der NH3-Konzentration auf die NO-Emissionen und auf die Mischungszone untersucht. Eine bekannte Eigenschaft der NH3-Oxidation, die sogenannte Selbsthemmung, wird durch die Simulationen richtig reproduziert.

Translation of abstract (English)

The aim of this work was the modelling and the simulation of two problems belonging to the complex area of the reactive flows. The two cases are treated with detailed reactions mechanisms and transport models. At first a laminar flame in a commercial lamella burner was studied. The second case was the oxidation of ammonia in a diffusion reactor. The common aim of both problems is the reduction of toxic emissions through the optimization of combustion conditions. The lamella burner is an example of premixed methane flame with high temperature gradient. The diffusion reactor is a mixing problem of diluted ammonia under isothermal conditions. In case of the burner the most important results are the following: Toxic emissions are increasing with increasing inflow velocity. The temperature along the lamellae and the air equivalence ratio are important parameter for the stability of the flame: Higher temperature at the end of the lamella enforce the stability of the flame. The optimal air equivalence ratio has a value between 1.15 and 1.30. An optimization of the geometry is also proposed in this work. Two different sizes of the lamellae have a favorable effect on the exhaust temperature and on the toxic emissions. Moreover this is increasing the stability of the flame. A diminution of the toxic emissions is obtained with longer and finer lamellae as well as bigger spaces between the lamellae. For the diffusion reactor the effects of the temperature and of the NH3 concentration on the NO emissions and on the mixing zone is studied. A known property of NH3 oxidation, namely its self-inhibition, is evidenced by the simulations.