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Spezielle Methoden zur Brennstoffcharakterisierung

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Y. Poyraz

Untersuchung des Zündverhaltens im Zündofen

In einen beheizten Muffelofen wird mit Hilfe eines Druckgasstoßes (Luft oder Stickstoff) über eine geeignete Vorrichtung eine definierte Menge Brennstoffstaub bestimmter Güte eingeblasen. Die Entzündung der eingeblasenen Staubprobe erfolgt dabei in Abhängigkeit von ihrer Zündwilligkeit sowie der Temperatur und Zusammensetzung der Gasatmosphäre. Die Zeit, die bis zur Zündung vergeht (sog. Zündzeit), wird gemessen und anschließend ausgewertet. Folgende Parameter können während der Versuchsdurchführung variiert werden: Partikelgröße des untersuchten Staubes, Reaktionsgaszusammensetzung (Luft, O2, CO2, N2) und Reaktionsgastemperatur (400 - 1100 °C).

Abb.1: Zündofen: Aufbau und Foto der Anlage 

Technische Daten Zündofen

Probenmasse300mg
Innendurchmesser300mm
Heizleistung6kW
Dauer der Eindüsung20ms
Eintrittsgeschwindigkeit20m/s

Untersuchung des Mahlverhaltens mit CMT Methode (Clausthaler Mahlbarkeits-Test)

Mit dieser Methode ist es möglich, das Mahlverhalten von Staubbrennstoffen in einer Labor-Wälzmühle zu untersuchen (siehe Abbildung 2). Die Vorgehensweise der Methode beschreibt vereinfacht den Anfahrvorgang einer Mühle, bis sich ein stationärer Betriebspunkt (das sog. Mühlengleichgewicht) eingestellt hat. Im ersten Zyklus (Mühlenstart) besteht die ganze Mühlenaufgabe aus einer schonend vorzerkleinerten Rohkohle. Danach erfolgt der Mahlvorgang und die Klassierung, bei der die Trennung des Mühlenproduktes in Staub (Massenanteil mit Fertiggutfeinheit) und Rücklauf (Massenanteil gröber als Fertiggutfeinheit) erfolgt. Der Staub wird aus dem Kreislauf entnommen. Die Mühlenaufgabe für die folgenden Zyklen wird jeweils aus dem Rücklauf und einer der zuvor neu erzeugten Staubmenge gleichen Menge Rohkohle zusammengesetzt. Die Ergebnisse der Untersuchung liefern Aussagen über:

  • Kreislauffaktor,
  • Mahlenergiebedarf,
  • Mühlenbelastung,
  • Körnung des erzeugten Staubes.

 

Abb.2: Clausthaler Mahlbarkeitstest


Thermogravimetrische Untersuchungen von festen, stückigen Brennstoffen

Der Verbrennungsablauf von festen, stückigen Brennstoffen kann in die Prozessschritte Trocknung, Entgasung, Vergasung und Ausbrand der Feststoffe, Gase und ggf. Flugstäube unterteilt werden. Mit den thermogravimetrischen Untersuchungen können insbesondere die Prozessschritte Trocknung und Entgasung (Thermolyse) untersucht werden. Hierbei hängt der Feststoffumsatz vom Niveau der Haupteinflussgrößen Einsatzstoffe (z.B. Abfall), Temperatur, Sauerstoffpartialdruck, Gesamtdruck und Verweilzeit ab. Die thermogravimetrischen Untersuchungen zum Umsatz von festen und ggf. auch flüssigen Abfällen erfolgen in einer technischen Thermowaage, die vereinfacht in Abbildung 3 dargestellt ist. Das Kernstück der Anlage bildet die elektrisch beheizte Reaktionskammer, die mit unterschiedlichen Aufheizgeschwindigkeiten (0,5 - 20 K/min) und verschiedenen isothermen Haltephasen (max. 1000 °C) über eine Programmregelung variabel betrieben werden kann. Zur Erzeugung einer inerten Atmosphäre wird der Reaktionskammer N2 von unten über eine Schüttschicht, die zur Strömungsvergleichmäßigung dient, zugeführt. In der Mitte der Reaktionskammer hängt ein mit der Waage verbundenes, zylindrisches Probengefäß, dem die definierte Probenmenge zugegeben wird. Die Versuche zur Trocknung und Entgasung erfolgen unter Inertgasatmosphäre, um diese Prozessschritte von denen der Vergasung und Verbrennung zu trennen. Die Reaktionskammer wird unter atmosphärischen Druck betrieben. Mit den Versuchen werden die Haupteinflussgrößen Aufheizgeschwindigkeit, Endtemperatur, Dauer und Niveau der isothermen Haltephasen, Gesamtversuchsdauer, Feuchtigkeitsgehalt und Einwaage variiert. Als Versuchsergebnisse erhält man:

  • die Massenänderung als Funktion der Zeit,
  • die Massenänderung als Funktion der Temperatur,
  • eventuell auftretende Schwelltemperaturen oder Temperaturintervalle von Reaktionen,
    bei denen eine Massenänderung auftritt.

 

Abb.3: Vereinfachter Aufbau der Thermowaage

Technische Daten Thermowaage:

Wägebereich (Auflösung: 0,1g)0-3kg
Max. Probenhöhe50mm
Max. Probendurchmesser80mm
Max. Temperatur1200°C
Max. Aufheizrate der Heizung20K/min
Reaktionsgas (Pyrolyse-Betrieb)Stickstoff
Reaktionsgas (oxidierender Betrieb)Luft oder andere Gase

Untersuchungen in einem Batchprozess (Chargen-Rost)

Es existiert ein breites Spektrum von festen Brennstoffen, die sich in ihren für die Verbrennung relevanten Eigenschaften (Vergasung, Zündung etc.) zum Teil erheblich unterscheiden. Im Sinne eines zuverlässigen Anlagenbetriebes ist eine genaue Kenntnis des geplanten Brennstoffes daher von entscheidender Bedeutung. Die Bestimmung solcher Brennstoffeigenschaften ist auf theoretischem Wege in den meisten Fällen nicht möglich und muss deshalb im Regelfalle im Experiment ermittelt werden. Mit dem Chargenrost ("Batch Reaktor") verfügt das IEVB über ein geeignetes Aggregat für umfassende Untersuchungen fester Brennstoffe bezüglich Verbrennungs- und Vergasungkinetik, Umsatz und zeitlichem Verlauf der Abgaszusammensetzung (CO2, O2, CO, SO2, HF, HCl, H2O, NOx, NH3, H2, CH4, CxHy). Eine schematische Darstellung dieses Chargen-Rostes ist in Abbildung 4 gegeben. Das Material wird auf den Rost (Nr. 2) in Segment 1 aufgegeben. Das Volumen oberhalb des Rostes, in dem sich das Einsatzgut befindet, beträgt ca. 30 l. Der Einsatzstoff kann mittels Strahlung aus den oberen Segmenten (Segment 2 bis 4), mit Hilfe von vorgewärmter Luft (max. 500 °C) über die Sekundärluftzuführung (Nr. 13) oder über einen Erdgasbrenner (Nr. 17) erwärmt werden. Neben der Betttemperaturmessung (Nr. 10) (vier Thermoelemente über der Höhe) werden zusätzlich die Prozessgaskomponenten CH4, CO, CO2, H2, O2, NOx mit Hilfe kontinuierlicher Messungen erfasst. Weiterhin werden die Wandtemperaturen im Ofenraum, die Abgastemperaturen im Ofenraum (über der Schüttung), die Druckverhältnisse im Reaktor über der Zeit ermittelt (Nr. 11) (drei Messstellen über der Höhe).

Abb.4: Schematische Darstellung des Chargen-Rostes (Batch-Reaktor) 

Abb.5: Versuchsreaktor am IEVB

Technische Daten Chargenrost:

Betthöhe400mm
Bettgewicht10kg
Feuerraumtemperatur1200°C
Primärluftvorwärmung300°C
Sekundärluftvorwärmung500°C

Untersuchung des Sinterverhaltens von Aschen im Sinterofen

Die Untersuchungen des Sinterverhaltens werden in einer speziellen Laboranlage (Laborrohrofen) vorgesehen. Die Anlage ist schematisch in der Abbildung 6 dargestellt. Die Bestimmungsmethode des Sinterverhaltens der Asche/Schlackeproben beruht auf der Druckfestigkeitsmessung von Aschepellets, die unter einer bestimmten Temperatur für eine längere Zeit (16 Stunden) in einer Luftatmosphäre oder in einer das Rauchgas simulierenden Gasatmosphäre gehalten werden. In der Methode wird der Einfluss der thermischen Behandlung auf die Änderung der Pelletmasse, Dichte und mechanischen Druckfestigkeit im Verhältnis zu den Rohpellets beurteilt. Mit der Methode zur Untersuchung des Sinterverhaltens kann die Neigung zur Bildung von harten, gesinterten Ansätzen an Feuerungsheizflächen bei verschiedenen Betriebsbedingungen (Variation von Temperatur und Abgaszusammensetzung) beurteilt werden.

Die Untersuchungen werden wie folgt durchgeführt:

  • Aus der vorher zerkleinerten Asche/Schlacke werden Pellets mit Durchmesser von ca. 8 mm und Höhe von ca. 6 - 8 mm gepresst (Presskraft ca. 2 kN/cm2),
  • Die Höhe, der Durchmesser und die Masse der Pellets werden vor der thermischen Behandlung im Ofen gemessen,
  • Danach werden die Pellets thermisch im Laborrohrofen über 16 h behandelt (Ofentemperatur im Bereich von ca. 600 bis 1200 °C),
  • Die thermische Behandlung kann sowohl in einer Luft- als auch in einer Rauchgas simulierenden Atmosphäre erfolgen (z.B. folgende Gaszusammensetzung: CO2 = 16 Vol.%, O2= 6 Vol.%, SO2 = 0,5 Vol.%, N2 = 77,5 Vol. %),
  • Nach der thermischen Behandlung werden die Pellets abgekühlt.
  • Danach werden wieder die Höhe, der Durchmesser und die Masse der Pellets gemessen,
  • Anschließend erfolgt die Messung der Druckfestigkeit der Aschepellets (Zerstörung der Pellets) mit einer speziellen Einrichtung

 

Abb.6: Aufbau des Sinterofens

Technische Daten Sinterofen:

Thermische Leistung3kW
Pelletgröße6-8mm
Heizdauer16h
Ofentemperatur600-1200°C

Untersuchung des Verbrennungs-, Emissions- und Ascheablagerungsverhaltens in einer vertikalen 50 kW Brennkammer("Down fired 50 kW Combustion Chamber" - DFCC)

Zur Untersuchung des Verbrennungs-, Emissions- und Verschlackungsverhaltens (Neigung zur Bildung von Ablagerungen in technischen Feuerungen) ist es sehr hilfreich, Proben von Kohlen, Kohlemischungen, Biomasse-Kohlemischungen und Ersatzbrennstoffen unter definierten Bedingungen zu untersuchen. Hierfür steht eine spezielle 50 kW Brennkammer zur Verfügung, die mit einem Drallbrenner ausgestattet ist (siehe Abbildung 7). Die Hauptbestandteile der Anlage sind: Das Brennstoffzuführungssystem, der Brenner, der vertikale Reaktor und die Ascheabtrennungseinrichtungen. Die Brennstoffzuführung (1) kann mit einer maximalen Abweichung von 4 % zwischen 1 und 7 kg/h variiert werden. Der Brennstoff wird in ein Zwischendepot gegeben, das eine Kapazität von 11 kg besitzt. Ein Schneckenfördersystem befördert das lose Material zum Brenner. Es wird ein Doppelschneckenauslauf verwendet, der auch besonders schwierige Stoffe wie z.B. Klärschlamm befördern kann. Staubförmige Brennstoffe können pneumatisch mittels eines Luftstromes zum Brenner befördert werden. Der verwendete experimentelle Brenner (2), ein IFRF-Brenner, wurde für weitreichende Einsatzbedingungen entwickelt. Die nominale Brennerleistung beträgt 50 kW, es können gasförmige, flüssige und staubförmige Brennstoffe, sowie Mischungen davon verbrannt werden. Optional kann verdrallte Sekundärluft, die bis zu einer Temperatur von ca. 400 °C vorgewärmt werden kann, über einen beweglichen Drallerzeuger zugegeben werden. Ein besonderes Merkmal des Brenners ist, dass seine aerodynamischen Eigenschaften sehr gut bekannt sind. Die Brenneraustrittsgeschwindigkeiten, die Geschwindigkeitsprofile und die Turbulenzen wurden mit einem Laser-Anemometer bei unterschiedlichen Drallzahlen bestimmt. Diese Informationen sind für wissenschaftliche Messungen von grundlegender Bedeutung. Für viele Experimente wird der Brenner nur während der Aufheizphase mit Erdgas betrieben, danach mit staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen. Der Reaktor (3) besteht aus einer vertikalen Brennkammer. Der Brenner befindet sich oben, achsensymmetrisch auf der Brennkammer. Der Reaktor ist unterteilt in mehrere Teile. Der obere Teil besteht aus einer feuerfest ausgekleideten Hochtemperatur-Strahlungszone, die eine Länge von 2,2 m und einen Durchmesser von 0,3 m besitzt. Der untere Teil besteht aus einer 1,8 m langen Niedertemperatur-Konvektionszone aus Edelstahl mit einem Durchmesser von 0,25 m. Die Hochtemperatur-Strahlungszone besitzt vier Heizelemente um Wärmeverluste auszugleichen. Mit diesen Heizelementen lässt sich ein gewünschtes Temperaturprofil in der Strahlungszone einstellen. Die thermische Leistung der Heizelemente beträgt jeweils 8,8 kW, und sie sind bis zu Temperaturen von 1600 °C einsetzbar. Die Niedertemperatur-Konvektionszone ist mit einer Wasserkühlung ausgestattet. Drei unabhängige Mäntel erlauben Gleich-, Gegen-, und Kreuzstrombetrieb. Die Hauptaufgabe der Konvektionszone ist es die Abgase auf Temperaturen unter 1000 °C abzukühlen. Beide Zonen haben Entnahmeöffnungen, an denen Sonden eingebracht werden können. Hier können die Gaszusammensetzung und Gastemperaturen bestimmt werden. Zudem besteht die Möglichkeit, mit einer Sonde Staubproben zu entnehmen und diese hinsichtlich des Kohlenstoffausbrandes zu analysieren. Das Abgas kann optional mittels eines Druckluft-Quenchsystems (5) auf ca. 180 °C abgekühlt werden. Diese Abkühlung kann notwendig sein, um zu hohe Temperaturen in den nachfolgenden Anlagenteilen zu vermeiden. Für die Entnahme von Flugasche im Abgassystem stehen drei Entnahmestellen zur Verfügung. Ein Aschebehälter (4) liegt direkt hinter dem Ausgang der Konvektionszone. Asche, die hier nicht abgeschieden wird, wird in einem nachgeschalteten Zyklon (6) und einem Filter (7) abgetrennt. Mit dieser Anordnung können auch sehr feine Partikel abgeschieden werden. Da all diese nachgeschalteten Aggregate zu einer Druckverminderung führen, muss eine Absaugvorrichtung nachgeschaltet werden, die die Abgase durch die Leitungen absaugt. Die Temperaturmessung in der Strahlungszone wird über ein Absaugthermoelement realisiert, wodurch Messfehler, die durch den Strahlungsaustausch zwischen dem Thermoelement und der Umgebung entstehen, vermieden werden. Das Thermoelement ist von zwei konzentrischen keramischen Röhren umgeben, die den Strahlungseinfluss der Umgebung minimieren. Das Gas strömt mit sehr hohen Geschwindigkeiten (>100 m/s) entlang der keramischen Röhren, wodurch die Konvektion zur dominierenden Wärmeübertragungsart am Thermoelement wird. Diese Messmethode verringert den Messfehler gegenüber einem einfachen Thermoelement um über 95 %. Die Temperaturen in der Konvektionszone dagegen können mit einfachen NiCr-Ni Thermoelementen gemessen werden. Zur Messung der Gaszusammensetzung wird ein Online-Gasanalysegerät benutzt. Hiermit kann die Konzentration von CO, CO2, NO und SO2 im Abgas mit NDIR (Non-Dispersive-InfraRed) Sensoren gemessen werden. O2 wird über einen elektrochemischen Sensor gemessen.

 

Abb.7: Aufbau der 50 kW vertikalen Brennkammer DFCC 

 Technische Daten DFCC:

Max. Brennstoffinput50kW
Brennstoffmassenstrom1-7kg/h
Max. Wandtemperatur1400°C
Max. Brennkammertemperatur1600°C
Verbrennungsluftvolumenstrom10-60Nm3/h
Heizleistung - Luftvorwärmer2,8kW
Lufttemperatur500°C
Partikelverweilzeitmax. 4s
Länge der Strahlungszone2,2m
Innendurchmesser der Strahlungszone330mm
Heizleistung der Strahlungszone4 Heizelemente 32kW
Länge der Konvektionszone2m
Innendurchmesser der Konvektionszone200mm

Untersuchung des Entgasungsverhaltens von flüchtigen Bestandteilen und Restkoksausbrandverhaltens in einem Fallrohrreaktor ("Isothermal Plug Flow Reactor" - IPFR)


Die Charakterisierung des Brennstoffs im Fallrohrreaktor (siehe Abbildung 8) erfolgt sowohl in einer inerten Atmosphäre des Reaktionsgases (N2) als auch bei einer bestimmten Sauerstoffkonzentration (5, 10, 15 % O2). Dadurch werden die Teilprozesse der Partikelverbrennung simuliert: Partikelerwärmung, Entgasung der flüchtigen Bestandteile und Ausbrand des Restkokses. Der Vorteil der Methode liegt in der hohen Aufheizgeschwindigkeit (bis zu 10^5 K/s) der Brennstoffprobe, was den realen Feuerungsbedingungen entspricht. Eine spezielle, wassergekühlte Sonde wird eingesetzt, um die Partikelentnahme entlang des Reaktionsrohres zu ermöglichen. Aus den Messdaten werden die kinetischen Parameter für die Entgasungs- und Koksausbrandmodelle für die Flammensimulation ermittelt.

Abb.8: Fallrohrreaktor - Isothermal Plug Flow Reactor - IPFR 

Die Anlage setzt sich aus drei Zonen zusammen: einer Vorwärmzone, einer Reaktionszone und einer Abgaszone (Kühlzone). In der Vorwärmzone wird das Reaktionsgas auf eine Temperatur von max. 1400 °C vorgewärmt. Die Reaktionszone besteht aus einem vertikalen, zylindrischen, elektrisch beheizten Keramikrohr mit Innendurchmesser von 120 mm und Gesamtlänge von 2,5 m. In der Reaktionszone erfolgt die Probenentnahme entlang des Reaktionsweges entweder durch die seitlichen Messöffnungen mit einer kleinen wassergekühlten Entnahmeprobe oder mit Hilfe einer speziellen, wassergekühlten Sonde, die von unten in den Reaktor eingesetzt wird. In der Abgaszone (Kühlzone) werden die Abgase rapide abgekühlt, um die Reaktionen zu stoppen. Die restliche Asche wird in der Abgaszone im Zyklon gesammelt.

 

 Technische Daten IPFR:

Temperaturbis 1400°C
Verweilzeit für Entgasung10-250ms (mit 5 ms Hub)
Verweilzeit für Ausbrand100-2500ms (mit 150-200ms Hub)
ReaktoratmosphäreN2, CO2, O2, H2O (Dampf) und Mischungen
Brennstoffdurchfluss25-500g/h
AbgasanalyseCO, CO2, O2, NO, SO2, H2, CH4

Pyrolyse- und Entgasungsversuche an einem Drehrohr

Die Pyrolyse ist ein Verfahren, welches insbesondere in der thermischen Abfallbehandlung eine gewisse Bedeutung erlangt hat, da sie dort in einigen Verfahren der eigentlichen Verbrennung vorgeschaltet ist und somit einen der Hauptverfahrensschritte darstellt. Ein weiteres mögliches Einsatzgebiet liegt in der Veredelung von Reststoffen wie zum Beispiel diverser Biomassen. Hierbei wird der Reststoff unter Luftabschluss durch Wärmezufuhr von außen in eine gasförmige, eine flüssige und eine feste ("Pyrolysekoks") Fraktion zerlegt. Während die gasförmige Fraktion meist als Energieversorger für das Verfahren selbst dient, kann der Pyrolysekoks in vielen Fällen als qualitativ hochwertiges Produkt einer weiteren stofflichen Verwertung zugeführt werden (z.B. als Adsorbenz oder auch als hochkalorischer Brennstoff). Mit dem Pyrolysedrehrohr steht am IEVB eine Technikumsanlage zur Verfügung, mit der das Pyrolyseverhalten von Reststoffen in Abhängigkeit der Prozessparameter, z.B. Temperatur, Verweilzeit untersucht werden kann. Die Drehrohranlage wird gemäß Abbildung 9 aufgebaut. Die Materialaufgabe erfolgt durch einen luftdicht verschlossenen Vorratsbehälter über eine Schneckendosierung in das keramische Drehrohr. Mit diesem werden Prozesstemperaturen von 500 - 1000 °C realisiert. Die Verweilzeit des Einsatzstoffs kann über die Neigung und Rotation (U/min) sowie den Massenstrom des Einsatzstoffs eingestellt werden. Letzterer beträgt 1 - 4 kg/h. Am Austritt des Drehrohrs wird der Pyrolysekoks aufgefangen. Aus dem entstehenden Pyrolysegas wird in einem Kondensator Pyrolyseöl abgeschieden. Anschließend erfolgt eine Analyse des verbleibenden Pyrolysegases. Es wird ggf. über eine Fackel verbrannt.

Abb. 9: Skizze des Drehrohrsystems zur Pyrolyse 

Abb.10: Drehrohr am IEVB

Technische Daten Drehrohr:

Durchsatz1kg/h
Heizleistung27kWel
Max. Temperatur der Heizelemente1150°C
Rohrlänge (beheizt)1300mm
Rohrlänge (gesamt)1700mm
Rohrdurchmesser120mm
Drehzahl1-10U/min
Inertgas (Pyrolyse-Betrieb)Stickstoff
 

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