Verbrennung erneuerbarer Brennstoffe unter Zuhilfenahme nicht-thermischer Plasmas

Die Bedeutung nicht-thermischer Plasmas für Verbrennungsanwendungen wurde bereits in verschiedenen Projekten gezeigt, die hauptsächlich Wasserstoff- oder Methanflammen verwendeten. Ein Hauptproblem blieb jedoch bisher ungelöst: die Anregung der reagierenden Spezies durch elektronische Stöße funktioniert gut bei Unterdruck, wird aber, mit den vorhandenen Plasmageneratoren, nicht bei erhöhtem Druck oder sogar Atmosphärendruck erreicht. Hieraus ergaben sich folgende Zielsetzungen,:

1. Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung eines atmosphärischen Brenners mit nicht-thermischer Plasmaunterstützung,
2. Quantifizierung der resultierenden Flammenveränderungen, der Verbrennungs¬effizienz und Emissionsreduktion.

Als wichtigstes Ergebnis der experimentellen Arbeiten kann festgehalten werden, dass es im Rahmen dieses Projektes erstmals gelang unter atmosphärischen Bedingungen elektronisch angeregten Sauerstoff mittels Plasmaanregung darzustellen, diesen spektroskopisch nachzuweisen und als Oxydationsmittel einem Brenner zuzuführen.

Die dadurch hervorgerufenen Veränderungen typischer Flammenfrontmarker (OH, CH, C2) wurden daraufhin mittels spontaner Emission und Laser-induzierter Fluoreszenz (LIF) quantifiziert. Mit zunehmender Plasmastärke kann bei all diesen Messungen eine Zunahme der Intensität der betrachteten Moleküle und somit der Flammenaktivität festgestellt werden. Diese Zunahme bewegt sich im Allgemeinen im Bereich von 10 bis 20%, verglichen mit dem Fall ohne Plasma. Mittels Raman-Messungen konnten auch die Hauptkomponenten in der Flamme bestimmt werden. Hierbei ergaben sich einige interessante Ergebnisse. Insbesondere konnte hier die Aktivität des Singlet-Sauerstoffs bei nicht-gezündeten Methan-Sauerstoff-Mischungen nachgewiesen werden. So erscheint hier eindeutig auch das Spektrum der Verbrennungsprodukte H2O und CO2, deren Intensität auch mit zunehmender Plasmaleistung steigt, obwohl keine Flamme vorhanden ist. 

Bei Wasserstoff-Flammen war eine verstärkte Luftzufuhr aus der Umgebung in das Zentrum der Flamme zu beobachten, was zu Veränderungen in der Flammenstruktur führt. Dies kann auch bei einer Erhöhung der Plasmaleistung beobachtet werden Im Gegensatz zu Methan, kann bei Wasserstoff im ungezündeten Fall kein Produkt (H2O) festgestellt werden.
Auch die Ergebnisse von Geschwindigkeitsmessungen in den ungezündeten und gezündeten Mischungen, zeigen die Auswirkungen des Plasmas auf die Flammenstruktur. Das Strömungsfeld wird durch das Plasma beschleunigt und stärkere Turbulenzen treten auf. Dies führt dann zur stärkeren Zufuhr der Umgebungsluft.

Combustion of renewable fuels assisted by non-thermal plasmas

Plasma-assisted combustion has recently become a major application for research. In most cases, the employed plasmas lead to a large temperature increase and are just used to facilitate ignition. Non-thermal plasmas appear in principle much more attractive to support combustion, since they can directly impact reaction processes at the molecular level and require only a very low energy input. This is in particular the case when using plasmas to generate excited species in a reactive mixture. The interest of non-thermal plasmas for combustion applications has been demonstrated in previous projects involving mainly hydrogen and methane flames. But three main problems remain and must be solved: 1) excitation of reacting species by electronic impact works well at reduced pressure, but cannot be used with existing plasma generators at high pressures or even under atmospheric conditions; 2) the interest of combustion assisted by cold plasmas to increase the flammability range and decrease associated pollutant emissions must be demonstrated for more relevant, in particular renewable fuels; 3) the interaction between non-thermal plasmas and reacting flows is not fully understood yet, underlining the need for further modeling work.