Teipel, UlrichWeiser, VolkerSchäfer, TimTimSchäfer2023-10-302023-10-302022-04https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/452382Um Klimaneutralität zu erreichen, wird man in naher Zukunft vollständig auf Kohle als Energieträger verzichten müssen. Ohne Kohlekraftwerke und wenn man gleichzeitig auf Atomkraft verzichten möchte, wird es allerdings schwierig werden besonders den Grundlastanteil der nationalen Stromversorgung zu gewährleisten. Ein denkbarer Ausweg wäre es, Kohle durch Metallpartikel als Brennstoff zu ersetzen. Metallpartikel können sehr ähnlich verbrannt werden. Eventuell könnte sogar ein Teil der dafür benötigten Infrastruktur von bestehenden Kohlekraftwerken übernommen werden. Silicium bietet sich als ein besonders geeigneter kohlenstofffreier Energieträger an. Als zweithäufigstes Element der Erdkruste ist es vor allem in Gesteinen omnipräsent. Als Verbrennungsprodukt sollte wieder SiO2 entstehen, das idealerweise z.B. als Roh- oder Baustoff weiterverwendet werden kann. So erfüllt Silicium ähnlich wie Wasserstoff die Anforderung an einen universellen Energieträger, dass es zum Recycling nicht wieder eingesammelt werden muss. Obwohl Silicium als pyrotechnischer Brennstoff schon lange verwendet wird, ist die Verbrennung und die Art der dabei entstehenden Produkte kaum untersucht. Dies gilt besonders für die Verbrennung von Siliciumstaub mit Luft. In dieser Studie wurde zum ersten Mal eine stationäre Verbrennung in Luft erzeugt. Die vertikale Flamme wurde mit einem Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner stabilisiert in den drei Sorten von Silicium mit unterschiedlichen Partikelgrößen (5&30 µm, 30 µm, 60 µm) eingeblasen wurden. Die Partikelgeschwindigkeit an der Stützflamme betrug etwa 30 m/s. Über der horizontalen Zündflamme bildete sich in allen Fällen eine stationäre Staubflamme in Luft aus. Die mittlere Flammenlänge betrug etwa 60 bis 80 mm bei Siliciumpartikeln von 30 und 60 µm Durchmesser. Bei der bimodalen Mischung war die Flamme etwas kürzer. Emissionsspektroskopisch gemessene Verbrennungstemperaturen lagen weitgehend unabhängig von der eingesetzten Partikelgröße bei ca. 2000 K kurz oberhalb des Stützbrenners. Sie sank bis zum Ende der Flamme auf etwa 1700 K ab. Das entspricht etwa dem Schmelzpunkt von Silicium bei 1687 K. Der Brenner war nicht optimiert. Produktproben haben ergeben, dass besonders aufgrund des hohen Partikelmassenstroms und einer zu hohen Partikeldichte im Zentrum des Partikelstrahls, vor allem große Siliciumpartikel vom Stützbrenner nicht entzündet wurden. Ein Großteil des Siliciums hat sich aber vollständig zu reinem Siliciumdioxid in Form von nanoskaligen Strukturen umgesetzt. Es konnte dargelegt werden, dass die Oxidation von den Siliciumpartikeln nicht vollständig an der Oberfläche stattfindet. Das als pyrogene Kieselsäure bekannte Produkt findet sich vornehmlich als Aerosol im Abgasstrom. In einer technischen Verbrennungsanlage kann es als kondensiertes Material aus dem Rauchgas aufgefangen und verwertet werden.To achieve climate neutrality, we have to completely abandon coal as an energy source in the near future. Without coal-fired power plants, however, and if we want to avoid nuclear power at the same time, it will be difficult to guarantee the base load share of the national electricity supply. One conceivable alternative could be a replacement of coal by using metal particles as fuel. Metal particles could be burnt in a very similar technical process. Possibly even part of the infrastructure needed for this could be taken over from existing coal-fired power plants. Silicon offers itself as a particularly suitable carbon-free energy source. As the second most abundant element in the earth's crust, it is omnipresent, especially in rocks. As combustion product, SiO2 should be produced again, which ideally can be reused, e.g., as raw material or construction material. Thus, like hydrogen, silicon fulfils the requirement for a universal energy carrier that it needs not to be collected again for recycling. Although silicon has long been used as a pyrotechnic fuel, its combustion and the nature of the resulting products have hardly been studied. This is especially true for the combustion of silicon dust with air. In this study, a stationary combustion in air was generated for the first time. The vertical flame was stabilised with a hydrogen-oxygen burner into which three types of silicon with different particle sizes (5&30 µm, 30 µm, 60 µm) were injected as cross flow. The particle velocity at the pilot flame was about 30 m/s. A stationary dust flame in air formed above the horizontal pilot flame in all cases. The average flame length was about 60 to 80 mm with silicon particles of 30 and 60 µm. The bimodal mixture produced a somewhat shorter flame. Combustion temperatures measured by emission spectroscopy were largely independent of the Silicon particle size at about 2000 K close above the pilot burner. It dropped to about 1700 K by the end of the flame. This corresponds approximately to the melting point of silicon at 1687 K. The burner was not optimised. Product samples have shown that especially large silicon particles were not ignited by the support burner due to the high particle mass flow and a too high particle density in the centre of the particle jet. However, a large part of the silicon was completely converted into pure silicon dioxide in the form of fumed silica. It could be shown that the oxidation of the silicon particles does not take place completely at the surface. The product is found as an aerosol in the exhaust gas stream. In a technical combustion process, it can be collected as condensed material from the smoke gas for further use.deSiliciumverbrennungSiliciumoxidationPyrogenekieselsäureKohleersatzEnergiequelleSilicon combustionSilicon oxidationFumed SilicaCoal alternativeEnergy sourcemaster thesis