View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

3 Grundlagen der Anlagensubsysteme
mt werden. Eine Besonderheit bei Verbrennungsreaktionen ist jedoch, dass selbst einer Verbrennung
von einfachen Kohlenwasserstoffen überaus umfangreiche Reaktionsmechanismen
zugrunde liegen. Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen müssen diese zur Berechnung
von Verbrennungsvorgängen berücksichtigt werden. Die Verwendung einfacher Formalkinetiken,
bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit von den Ausgangskonzentrationen der Hauptkomponenten
wie Wasserstoff und Sauerstoff abhängt, ist daher nicht ohne weiteres möglich.
Für eine aussage kräftige Beurteilung der Reaktionen müssen stattdessen detaillierte Radikalkettenreaktionen
berücksichtigt werden.
Das Prinzip der Radikalkettenreaktionen soll an hand der Wasserstoffverbrennung erläutert werden.
Diese läuft in der Realität nicht direkt nach der Bruttoreaktionsgleichung 3.24 ab, sondem
über Elementarreaktionen mit den reaktiven Teilchen H, 0 und OH als Zwischenprodukten. Die
Teilschritte des Reaktionsmechanismus sind in Tabelle 3.2 angegeben. In den Gleichungen
werden für einzelne Reaktionen benötigte Stoßpartner, die sich bei der Reaktion selbst nicht
verändern, mit M bezeichnet.
Tabelle 3.2: Wichtigste Elementarreaktionen der Wasserstoffverbrennung [58, p. 117].
H 2 +0 2 H20H· Ketteneinleitung (GI. 3.31)
OH·+ H 2 H H 2 O+H· Kettenfortpflanzung (GI. 3.32)
H·+ O 2 HOH·+ O· Kettenverzweigung (GI. 3.33)
0·+ H 2 H OH·+ H· Kettenverzweigung (GI. 3.34)
HH )fH 2
Kettenabbruch (heterogen) (GI. 3.35)
H·+ O 2 +M H H0 2 +M Kettenabbruch (homogen) (GI. 3.36)
Für die Verbrennung eines als SOFC-Abgas typischen Gemisches aus den Brenngasen H2 ,
CO, CH 4 sowie Inertgaser:l sind einschließlich der in Tabelle 3.2 genannten Reaktionen fast 40
Elementarreaktionen erforderlich. Diese stellen die bedeutendsten Reaktionen des vorliegenden
Verbrennungssystems dar. Darüber hinaus sind in der Literatur eine Vielzahl weiterer Elementarreaktionen
für andere Brenngaskomponenten bekannt [60]. Die Teilreaktionen für die
Verbrennung von H 2
, CO und CH 4 sowie die dazugehörigen kinetischen Parameter sind im Anhang
aufgeführt. Bruttoreaktionskinetiken für die Gleichungen 3.24 bis 3.27 haben aufgrund der
hohen Druck- und Temperaturabhängigkeit der Elementarreaktionen nur eine begrenzte Aussagekraft,
so dass zur Ermittlung der Reaktionskinetik - sofem keine Messdaten vorliegen - auf
diese ausführlichen Reaktionsmechanismen zurückgegriffen werden muss [61, p. 84]. Dies führt
mathematisch zu einem System gewöhnlicher Differentialgleichungen. Ergeben die Berechnungen
im Vergleich zur Verweilzeit sehr schnelle Reaktionen, so kann die Verbrennung nach dem
Konzept der unendlich schnellen Chemie [58, p. 146] als vollständiger Umsatz entsprechend
der Bruttoreaktionsgleichungen 3.24 bis 3.27 angenommen werden. In diesem Fall vereinfacht
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