Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Verbrennung von Lithiumpartikeln in Kohlendioxid und Stickstoff

Chemische Energiespeicher auf Basis von Lithium stellen vielversprechende Alternativen zur Speicherung großer Energiemengen dar. Für den Entladevorgang des Speichers wird das Lithium als Pulver
oder Spray in verschiedenen Atmosphären verbrannt. Insbesondere die Verbrennung in CO2 oder N2 bietet hierbei verschiedene ökonomisch vorteilhafte Aspekte, da die entstehenden Produkte als Wertstoffe an die chemische Industrie veräußert werden können.

Da über das Verbrennungsverhalten einzelner Lithiumpartikel oder -tropfen bisher sehr wenig bekannt ist, werden in dieser Dissertation grundlegende Experimente und Simulationen zur Charakterisierung der Verbrennung einzelner Partikel in CO2, N2 und Mischatmosphären aus beiden Gasen durchgeführt. Zu diesem Zweck wird die Verbrennung einzelner Lithiumpartikel in einem laminaren Fallrohreaktor hinsichtlich der Verbrennungsmechanismen, Flammen- und Partikeltemperaturen, Flammen- und Partikeldurchmesser, Partikelausbrandzeiten, Abbrandzusammensetzungen und Oberflächenbeschaffenheit des Ausbrands untersucht. Die Partikel zeigen unterschiedliche Verbrennungsmechanismen in Abhängigkeit der jeweiligen Atmosphäre: In 100% CO2 brennen die Partikel sowohl mit einer Gasphasenverbrennung als auch an der Partikeloberfläche, während in 100% N2 lediglich eine Oberflächenreaktion zu Li3N beobachtet wird. In den Mischatmosphären reagieren die Partikel ausschließlich mit dem CO2 und bilden keine Stickstoffverbindungen.
Basierend auf den experimentellen Ergebnisse werden Verbrennungsmodelle für die einzelnen Atmosphären entwickelt. Die Verbrennungsmodelle und Reaktionsraten werden in die kommerzielle CFD-Software ANSYS Fluent implementiert. Mit Hilfe von ANSYS Fluent wird anschließend der Laborreaktor modelliert und simuliert.