Untersuchungen zum Einfluss der Tiegelgeometrie auf die Verbrennung verschiedener Ruße

Die Methode der Thermogravimetrie (TG) eignet sich in besonderer Weise für die Untersuchung von Verbrennungsprozessen. Sie ermöglicht den schnellen Zugang zu Aussagen über die thermische Stabilität des zumeist festen Brennstoffs, die Reaktionstemperatur sowie über die Verbrennungskinetik. Weiterhin lassen sich sowohl der Massenverlust während der Verbrennungsreaktion als auch der nicht brennbare mineralische Aschegehalt quantifizieren. Im Gegensatz zu anderen Reaktionen, wie Zersetzungen oder die Freisetzung von Feuchtigkeit oder Lösemitteln, ist die Verbrennung eine Fest-Gas-Reaktion. Somit sind nicht nur alle üblichen Parameter wie Probenmasse, Heizrate und Spülgasfluss konstant zu halten, sondern die Messergebnisse werden auch durch die Probenoberfläche, die Sauerstoffkonzentration und die Tiegelgeometrie beeinflusst, die zu einem limitierenden Faktor für die Zutrittsmöglichkeit des Reaktionsgases an die Feststoffprobe werden kann.

Um dieser Frage nachzugehen, wurden mit einer NETZSCH-STA Messreihen mit verschiedenen Tiegelgeometrien unter ansonsten identischen Versuchsbedingungen durchgeführt.

Abb. 1. Al2O3-Tiegelsortiment (v.l.n.r.): Plattform, kurzer DTA-Tiegel, Standard-DTA-Tiegel, gelochter DTA-Tiegel, Mini-DTA-Tiegel
Abb. 2. Gelochter Tiegel

Die verschiedenen Tiegel sind in den Abbildungen 1 und 3 gezeigt, darunter auch ein gelochter DTA-Tiegel, der in Abbildung 2 vergrößert dargestellt ist [1].

Die untersuchten Rußproben sind verschiedene Standardproben wie NIST 2975, Printex 90, Aktivkohle und Kohlenstoffkugeln. Diese haben einen Durchmesser von etwa 1 mm bis 2 mm und besitzen ein anorganisches Gerüst. Die mittleren Partikelgrößen der übrigen Proben werden zwischen 20 nm und 50 nm angegeben.

Ergebnisse: Für die Untersuchungen der Rußprobe NIST 2975 kamen die in Abbildung 1 gezeigten Tiegeltypen zum Einsatz. Die Verhältnisse von Tiegeldurchmesser und Füllhöhe der Proben (bei gleicher Probenmasse) gehen aus Abbildung 3 und der Tabelle 1 hervor.

Abb. 3. Tiegelsortiment Ansicht (oben), Aufsicht (unten)

Dimensionen der in Abbildung 1 gezeigten Tiegel

Maße (mm) kleine Plattform kurzer DTA-Tiegel DTA-Tiegel DTA-Tiegel, gelocht Mini-DTA*
Ø außen 10 8 8 8 5
Ø innen 10 6 6 6 4
Höhe 0 3 12 12  

 

* nur für Vergleichszwecke; Tiegel ist nicht Bestandteil des NETZSCH-Tiegelsortiments

Bei der Verwendung von Sauerstoff als Spülgas sind bereits bezüglich der Verbrennungstemperatur und bezüglich der Verbrennungsgeschwindigkeit (DTG) Unterschiede zwischen den verschiedenen Tiegelgeometrien auszumachen (Abbildung 4). Reduziert man jedoch die Sauerstoffkonzentration des Spülgases auf 20 % (Abbildung 5) oder 5 % (Abbildung 6), so spielt die Tiegelgeometrie offensichtlich eine immer größere Rolle. Der gelochte DTA-Tiegel und die Plattform erlauben offensichtlich eine verbesserte Zuführung des Reaktionsgases Sauerstoff an die Probe. Je schlechter jedoch die Zutrittsmöglichkeit des Reaktionsgases an die Feststoffprobe wird, desto mehr wird die Reaktion zu höheren Temperaturen verschoben und desto niedriger wird die Geschwindigkeit der Reaktion (DTG). Bei einem Spülgasverhältnis Stickstoff zu Sauerstoff von 95:5 ist der gelochte DTA-Tiegel fast so “schnell” wie die Plattform. Bezüglich des Reaktionsverhaltens kommen der gelochte DTA-Tiegel (Abbildung 2) und der kurze DTA-Tiegel der Plattform am nächsten, wobei die Probenhandhabung bei diesen beiden Tiegelvarianten deutlich einfacher ist als bei der Plattform.

 

Abb. 4. TG- und DTA-Ergebnisse der Probe NIST 2975 (100 % O2)
Abb. 5. TG- und DTG-Ergebnisse der Probe NIST 2975 (20 % O2)
Abb. 6. TG- und DTG-Ergebnisse der Probe NIST 2975 (5 % O2)
Abb. 7. Abhängigkeit der Ergebnisse vom Sauerstoffgehalt des Spülgases
Abb. 8. Vergleich der vier verschiedenen Rußproben (TG, kurzer DTA-Tiegel)
Abb. 9. Vergleich der vier verschiedenen Rußproben (DTG, kurzer DTA-Tiegel)

Die Abhängigkeit der Ergebnisse vom Sauerstoffgehalt des Spülgases ist in Abbildung 7 verdeutlicht. Der Vergleich verschiedener Rußtypen zeigt deutliche Unterschiede in allen bestimmbaren Kenngrößen wie thermische Stabilität, Verbrennungstemperatur, Verbrennungsgeschwindigkeit und Restmasse (Abbildungen 8 und 9).

Fazit:
Die geschilderten Einflussfaktoren sind für jede Art der Auswertung und Interpretation der Messergebnisse wichtig. Geradezu essentiell sind sie jedoch, wenn Rückschlüsse auf die Verbrennungskinetik gezogen werden sollen. Denn Ziel solcher Auswertungen muss es sein, die Verbrennungsreaktion als solches zu beschreiben und nicht eine Kombination von Verbrennungsreaktion einerseits und überlagernden Randbedingungen der Versuchsanordnung andererseits.

Literatur:
[1] Oxidationsschutzschichten für Heißgasverrohrungen und deren Charakterisierung mittels High-Speed-Ofen, Thomas Hutsch et.al., NETZSCH-OnSet10, S. 6 – 9