Der industrielle Sektor zählt nicht nur in der Bundesrepublik Deutschland zu den größten CO₂-Emittenten. Die Dekarbonisierung industrieller Prozesse erfordert zukünftig den Einsatz eines breiten Spektrums an Technologien. Neben der Elektrifizierung von Prozessen und der Abscheidung von CO₂ aus industriellen Abgasen spielt in diesem Zusammenhang auch die Substitution fossiler Brennstoffe durch Brenngase erneuerbaren Ursprungs, wie beispielsweise Wasserstoff, sowie die energetische Nutzung vorhandener Prozessgase eine zentrale Rolle. Die Herausforderung dieses Vorhabens liegt jedoch im Verbrennungsprozess selbst. Die hohe Diversität und die spezifischen Eigenschaften der Brenngase führen bei konventionellen Feuerungssystemen zu erheblichen Abweichungen im Flammenstabilitäts- und Schadstoffbildungsverhalten.

Die vorliegende Arbeit dokumentiert die Konzeption, Entwicklung und Untersuchung eines flexiblen und schadstoffarmen Brennersystems. Ziel der Entwicklung war die technische Umsetzung einer vielseitigen und flexiblen energetischen Nutzung sowohl von Brenngasen erneuerbaren Ursprungs als auch von Brenngasen, die als Zwischen- oder Abfallprodukte industrieller Prozesse entstehen (Prozessgase). Der zentrale Entwicklungsansatz bestand darin, eine stabile Verbrennung unter vergleichbaren Strömungsbedingungen zu gewährleisten, um einen schadstoffarmen Betrieb unabhängig von Brenngaszusammensetzung und Last sicherzustellen. Abweichend zum Stand der Technik im Hinblick auf Mehrgasbrenner, sollte sich hierbei der Brenner dem Brenngas anpassen und nicht das Brenngas dem Brenner. Hierzu wurde im Rahmen des ersten Entwicklungsschritts eine mechanische Düse konzeptioniert, die es ermöglichte, durch die Änderung einer variablen Düsenaustrittsfläche während des Betriebs Einfluss auf die Austrittsgeschwindigkeit des Brenngases und damit auf die nachgeschaltete Verbrennung zu nehmen. Während die grundsätzliche Funktion festgestellt werden konnte, wurde das Konzept jedoch im Rahmen des Entwicklungsprozesses aufgrund der technischen Komplexität wieder verworfen und durch einen technisch einfacher umzusetzenden Ansatz ersetzt. Das finale Design besteht im Wesentlichen aus einem Düsensystem aus insgesamt fünf Düsen, welche in Abhängigkeit der Brenngaszusammensetzung individuell mit zuvor rechnerisch ermittelten Medienmengen durchströmt werden. Zur Bestimmung der jeweiligen Brenngas- und Luftmengen wurde zudem ein Algorithmus entwickelt, der sowohl das strömungstechnische Kriterium der konstanten Impulsstromverhältnisse als auch die Verbrennungscharakteristika der jeweiligen Brenngase berücksichtigt. Neben der Variation der Last wirkt sich die Brenngaszusammensetzung elementar auf das Verbrennungs- und Schadstoffverhalten im Prozess aus. Zur genauen Ergründung ist im Rahmen der vorliegenden Arbeit frühzeitig das Verbrennungsverhalten hinsichtlich der Flammenstabilität und der Stickoxidbildung relevanter Brenngase, wie Wasserstoff und Methan aber auch dem innovativen Brennstoff Ammoniak sowohl reaktionskinetisch als auch experimentell grundlegend untersucht worden, sodass die gewonnenen Erkenntnisse direkt in die Brennerentwicklung mit einfließen konnten.