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Entwicklung einer Brennstoffdatenbank für konventionelle und Oxyfuel-Feuerungssysteme (Regel- und Alternativbrennstoffe inklusive Biomasse, Bioabfälle und Abfallbrennstoffe)

Trotz aller neuen Energiekonversions-Technologien und neuer Ersatzbrennstoffe bleiben auf dem Energieumwandlungs-Sektor die fossilen Brennstoffe für die nächsten Jahrzehnte weiterhin wichtig. Auf dem Brennstoffmarkt wird eine Vielzahl unterschiedlicher Kohlenangeboten, allerdings erlangen auch hier - aufgrund verstärkter Nutzung - Biomasse und aus Abfall gewonnene Brennstoffe (Refuse Derived Fuels - RDF) wachsende Bedeutung. Alle diese Brennstoffe weisen erhebliche Unterschiede in ihrer Zusammensetzung, in ihren Eigenschaften und damit im Verhalten bei der Verbrennung auf. Die Verwendung eines unbekannten Brennstoffes könnte zu ernsthaften Problemen beim Betrieb von Brennstoffkesseln führen und ungeplante Abschaltungen verursachen. Vor der Einführung neuer Technologien oder Änderungen an den Brennstoffkesseln werden daher heute häufig vorab CFD-Simulationen durchgeführt, um einen frühzeitigen Einblick in mögliche Probleme zu erhalten. Sowohl die große Vielfalt von Brennstoffen wie auch die Notwendigkeit zuverlässige CFDSimulationen zu erstellen, machen es notwendig, neue Verfahren zur Charakterisierung fester Brennstoffe zu entwickeln, da die Standard-Analysemethoden hierfür nicht ausreichen.
Es gibt eine Reihe von nicht-standardisierten Methoden, wie z.B. beheizte Drahtgitter, Thermogravimetrische Analyse (TGA), Fallrohrreaktoren und Wirbelschichtreaktoren. Mit diesen Methoden ergeben sich auch verschiedene Arten von Datenmaterial. Um aussagekräftige Daten zu bekommen, muss eine einheitliche und standardisierte Methode entwickelt werden, die es erlaubt, bei Einführung verschiedener Annahmen und Vereinfachungen die komplizierten Phänomene der Verbrennung fester Brennstoffe vorherzusagen.
Die an der TU Clausthal verwendete Methode der fortgeschrittenen Brennstoffcharakterisierung basiert auf zwei Vertikalreaktoren, dem Isothermal Plug Flow Reactor (IPFR) und der Down-Fired 50 kW Combustion Chamber (DFCC). Ziel ist es, eine Datenbank für feste Brennstoffe mit erweiterten Charakteristiken für Verschmutzung und Verschlackung zu erstellen, die als Grundlage für CFD-Berechnungen dienen soll. Eine technische Beschreibung beider Anlagen findet sich im Unterpunkt "Ausstattung". Der elektrisch beheizte IPFR ermöglicht die Untersuchung der Verbrennung fester Brennstoffe aufgetrennt in die Phasen Entgasung und Ausbrand des bei der Entgasung erzeugten Kokses. Die Durchführung als separate Experimente erlaubt einen vertieften Einblick in diese beiden Prozesse durch die Möglichkeit einer systematischen Variation der Parameter. Durch die Variation der Parameter Temperatur, CO2-, O2- und Wasserdampfmenge ergibt sich die Möglichkeit, neue CFD-Verbrennungsmodelle zu entwickeln. Die zweite Anlage DFCC verwendet eine realistischere Prozedur, bei der der Brennstoff in einer Flamme verbrannt wird, so dass Entgasung und Koksverbrennung gleichzeitig stattfinden. Die DFCC Experimente erlauben die Bestimmung der Stabilität der Flamme, des Zündverhaltens, von Schadstoffemissionen und die Verschlackungs-/Verschmutzungsneigung. Messdaten von dieser Anlage können zur Erstellung erster CFDModelle und erster Simulationen verwendet werden.
Beide Aggregate bieten verschiedene Arten von Daten und ergänzen einander. Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen diesen beiden Anlagen sind verschiedene Profile von Temperatur und Sauerstoff entlang ihrer Länge.

 

 

Abb. 1: Vergleich der Temperatur- und O2-Konzentration an den Anlagen IPFR und DFCC

 

Die Anlage IPFR gewährleistet entlang der Reaktorlänge eine konstante Temperatur sowie eine konstante Sauerstoffkonzentration, so dass die zugeführten Brennstoffpartikel immer die gleichen Konditionen erfahren. Die entsprechenden Profile am DFCC unterscheiden sich deutlich: in der Flammenregion sinkt die Sauerstoffkonzentration deutlich ab, um bis zur Nachverbrennungszone einen stabilen Wert zu erreichen. Das Temperaturprofil zeigt hohe Werte in der Flammenregion, während die Temperatur in der Nachverbrennungszone deutlich niedriger ist. Beide Anlagen erlauben Untersuchungen in unterschiedlichen Atmosphären, um verschiedene Verbrennungstechniken zu simulieren wie z.B. das Oxy-Fuel-Verfahren. Zusammen liefern beide Reaktoren so genügend Daten, um fortgeschrittene CFD-Modelle zu entwickeln und komplexere Berechnungen durchzuführen.

 

 

Abb. 2: Experimentelle und theoretische Untersuchungen von Feuerungsanlagen

 

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Y. Poyraz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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