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Verschlackung und Verschmutzung während der Verbrennung von festen Brennstoffen in konventionellen und Oxyfuel-Feuerungen

Trotz vieler Forschungsaktivitäten in den letzten Jahren stellen die Ascheablagerungsprobleme nach wie vor eine große Herausforderung bei der Verbrennung von festen Brennstoffen in Staubfeuerungen dar. Die Bildung von unerwünschten Ansätzen an Oberflächen des Wärmetauschers und den Brennkammerwänden einer Feuerung ist wegen der ökonomischen und betrieblichen Aspekte von sehr großer Bedeutung für Kraftwerksbetreiber. Insbesondere die Änderung der Brennstoffqualität infolge der Mitverbrennung von Alternativbrennstoffen kann die Ascheablagerungsprozesse erheblich beeinflussen. Unachtsame Mitverbrennung von schwierigen Alternativbrennstoffen kann negative Auswirkungen auf die Beständigkeit und Verfügbarkeit des Kessels haben und im schlimmsten Fall eine ungeplante Kesselabschaltung verursachen. Die Verbrennung der festen Brennstoffe unter Oxyfuel-Bedingungen kann auch wesentlich das Verschlackungs- und Verschmutzungsverhalten ändern. Der Forschungsbedarf auf dem Gebiet der Ascheablagerung ist nach wie vor groß und ein besseres Verständnis der Verschlackungs- und Verschmutzungsprozesse ist unerlässlich.

Das Ziel der Forschung im IEVB auf diesem Gebiet ist die Durchführung von umfangreichen Untersuchungen zum Ascheablagerungsverhalten während der Verbrennung und Mitverbrennung von verschiedenen Alternativbrennstoffen (z.B. Sägemehl, Klärschlamm, Ersatzbrennstoff aus Abfall (EBS)) sowie mit Regelbrennstoffen wie Steinkohle oder Braunkohle. Es wird eine übergreifende experimentelle Datenbank erstellt, die chemische Eigenschaften der Flugasche und Ascheablagerungen, Ablagerungsgeschwindigkeiten, physikalische Struktur der Ascheablagerungen und Druckfestigkeit von Ascheablagerungen beinhaltet. Die Untersuchungsmethodik enthält verschiedene experimentelle Schritte, wie z.B. 1. Laboranalysen von untersuchten Brennstoffen, Laboraschen, Flugaschen und Ascheablagerungen, 2. experimentelle Untersuchungen des Ascheablagerungsverhaltens unter Verbrennungsbedingungen in Brennkammern, 3. Untersuchung des Sinterverhaltens in einem Sinterofen. Ein Schwerpunkt der Forschung stellt die Untersuchung des Ascheablagerungsverhaltens unter eindeutig definierten und reproduzierbaren Verbrennungsbedingungen in vertikalen Brennkammern im Technikums- und Pilotmaßstab dar. Hierbei werden sowohl die konventionelle Staubverbrennung als auch die neuen Verbrennungstechnologien wie Oxyfuel- oder flammenlose Verbrennung untersucht. Die untersuchten Betriebspunkte decken die für einen modernen Staubkohlekessel typische Bandbreite der thermischen Bedingungen in Bezug auf Temperatur der Ablagerungsoberfläche, Abgastemperatur und Partikelverweilzeit ab. Die chemischen und physikalischen Ablagerungsstrukturen und die Ablagerungsgeschwindigkeiten werden systematisch als Funktion der Temperatur der Ablagerungsoberfläche, Gastemperatur und Partikelverweilzeit interpretiert. Abbildungen 1 und 2 zeigen exemplarisch Ergebnisse aus einem früheren Projekt (Ascheschmelzverhalten und Verschlackungsintensität), in dem Verschlackungsprozesse während der Mitverbrennung von Klärschlamm, Sägemehl und EBS mit einer Steinkohle untersucht wurden.

 

 

Abb. 1: Einfluss der Mitverbrennung von Klärschlamm mit einer Steinkohle auf das Ascheschmelzverhalten der Mischbrennstoffe

 

 

Abb. 2: Einfluss der Mitverbrennung auf die Ablagerungsmasse bezogen auf die Ablagerungsfläche während der Mitverbrennung von Klärschlamm mit einer Steinkohle

 


Abbildung 3 zeigt Fotos von Ascheablagerungen, die während der Mitverbrennung von Sägemehl und Klärschlamm mit Steinkohle auf Ablagerungssonden mit verschiedenen Oberflächentemperaturen gesammelt wurden.

 

 

Abb. 3: Fotos von Ascheablagerungen gesammelt während der Mitverbrennung von zwei Alternativbrennstoffen (Sägemehl und Klärschlamm) mit einer Steinkohle auf Ablagerungssonden mit zwei verschiedenen Temperaturen der Ablagerungsfläche

Neben den experimentellen Untersuchungen werden in der Simulationsarbeitsgruppe des IEVB CFD-basierte Ascheablagerungsmodelle entwickelt. Die Modelle beinhalten die Staubverbrennung, Mineralumwandlung, Partikeltransport in der Abgasströmung und Auftreff- und Haftwahrscheinlichkeit der Partikel auf der Ablagerungsoberfläche. Abbildung 4 zeigt exemplarisch die vorhergesagte Aschekonzentration in einer vertikalen Technikumsbrennkammer während der Kohleverbrennung.

 

 

Abb. 4: CFD Modellierung, Aschekonzentration [kg/m3] in einer vertikalen Brennkammer während der Verbrennung einer Steinkohle

Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Y. Poyraz
 

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