Titelaufnahme

Titel
Auslegung, Aufbau und Inbetriebnahme einer Wirbelschichtapparatur im Labormaßstab für thermische Umwandlungsprozesse von Biomasse / von Daniel Essletzbichler
Weitere Titel
Design, set-up and commissioning of a fluidized bed reactor in laboratory scale for thermal-conversion of biomass
VerfasserEssletzbichler, Daniel
Begutachter / BegutachterinHofbauer, Hermann
GutachterHrbek, Jitka
ErschienenWien, 2017
Umfang161 Seiten
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Diplomarbeit, 2017
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprueft
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Wirbelschicht / Ascheschmelzverhalten / Verbrennung
Schlagwörter (EN)Fluidized bed conversion / Ash melting point / Combustion
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-102148 Persistent Identifier (URN)
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Auslegung, Aufbau und Inbetriebnahme einer Wirbelschichtapparatur im Labormaßstab für thermische Umwandlungsprozesse von Biomasse [18.04 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In Bezugnahme auf die stets aktuelle Thematik des Klimawandels respektive Umweltschutzes und den damit parallel voranschreitenden Bemühungen und Fortschritten der Forschung fossile durch erneuerbare Energieträger zu ersetzen, gewinnt die Nutzung von Biomasse immer mehr an Bedeutung. In weiterer Folge verschiebt sich der Fokus hin zur Nutzungsoptimierung und der möglicherweise auftretenden Problemstellungen dieser alternativen Brennstoffe. Wenn gleich schon eine breite Palette an festen Biobrennstoffen hinsichtlich der eben genannten Eigenschaften untersucht wurden und Problemfelder hinlänglich bekannt sind, gibt es dennoch einen erheblichen Forschungsbedarf in Bezug auf die anfallende Asche. Speziell im Zusammenspiel mit dem eingesetzten Bettmaterial bei Anwendung in Wirbelschichtanlagen, infolge thermischer und chemischer Umwandlungsprozessen, gibt es einige Problemfelder. Sowohl bei Anwendung von Biomasse in Wirbelschichtverbrennungsanlagen als auch bei Ein- oder Mehrbettwirbelschichtvergasern zur Erzeugung von Produktgas für weitere Synthesen, bleibt stets die Problematik der anfallenden Asche. Eine niedrige Ascheschmelztemperatur stellt zum einen eine technologische Limitierung der Anlage dar und führt in weiterer Folge bei Interaktion mit dem Bettmaterial der Wirbelschichtanlage zu Agglomerationen und Anbackungen an oftmals notwendigen Einbauten oder Innenwänden. Außerdem kann durch Schlackenbildung ein Verkleben des Anströmbodens zu erheblichen Störungen des Anlagenbetriebs bis hin zum Stillstand führen. Inhalt und Ziel dieser Arbeit ist die Auslegung, Designfindung mit anschließendem Aufbau und Inbetriebnahme einer Wirbelschichtapparatur im Labormaßstab zur kontinuierlichen Verbrennung von Biomassepellets sowie Durchführung der Erstversuche mit Fokus auf die anfallende Asche. Beginnend mit den Grundlagen zur Biomasse, wird des Weiteren auf den thermo-chemischen Prozess als auch auf die anlagentechnische Umsetzung der Wirbelschichttechnologie mit deren theoretischen Grundlagen eingegangen. Der Aschebildungsprozess mit den sich daraus ergebenden Problemstellungen schließen den theoretischen Teil der vorliegenden Arbeit ab. Für die praktische Umsetzung wurde eine externe Firma beauftragt, die Apparatur entsprechend unseren Vorgaben zu realisieren. Die vorangegangenen Planungsgespräche ergaben naturgemäß konstruktiv notwendige Änderungen der Apparatur und führten schlussendlich zum tatsächlichen Design. Parallel dazu wurde auf Grundlage der getätigten Auslegungsberechnungen sämtliches zum Betrieb der Apparatur notweniges Equipment organisiert und vorbereitet. Nach erfolgtem Aufbau und Montage wurde mit der schrittweisen Inbetriebnahme bis hin zur Einsatzbereitschaft fortgesetzt. Der Versuchsteil untergliedert sich in den wirbelschichtspezifischen Teil, welcher sich im Wesentlichen auf die Messung des Druckverlustverlaufs des Lochbodens und Wirbelschicht in Abhängigkeit der Fluidisierungsgeschwindigkeit beschränkt. Die im Anschluss durchgeführten Versuche im Heißbetrieb lieferten die gewünschten Mengen an Asche deren Ascheschmelzverhalten mittels Erhitzungsmikroskop mit der aus genormten Bedingungen im Muffelofen erzeugten Aschen gegenübergestellt wurden. Die Vergleiche des Ascheschmelzverhaltens und den daraus abgeleiteten Erweichungs- bzw. Fließtemperaturen zeigten durchwegs niedrigere Erweichungstemperaturen der Wirbelschichtaschen gegenüber den Ascheproben aus dem Labor-Muffelofen. Qualitativ lieferten die Ascheschmelzkurven der ausgesiebten Ascheproben aus der Wirbelschichtapparatur, welche mit einem Erhitzungsmikroskop aufgenommen wurden, nahezu identes Verhalten. Den Abschluss bildet eine weitere Versuchsreihe mit parallel aufgebauter Abgasmessung, um entsprechend Aufschluss über den Verbrennungsprozess in der Wirbelschichtapparatur zu erhalten. Die Versuche zeigten, dass in Hinblick auf den Verbrennungsvorgang einige kleinere Optimierungen betreffend Lochboden, Brennstoffzufuhr und Positionierung der Abgas-Messsonde vorgenommen werden müssten, um auch hier einer optimalen Verbrennung hinsichtlich Abgaszusammensetzung nahe zu kommen. Zusammenfassend lässt sich anhand der durchgeführten Versuche sagen, dass sich ein idealer Betriebspunkt der Anlage nur schrittweise realisieren lässt, um bei Verwendung einer bestimmten Biomasse, wirbelschichttechnisch als auch verbrennungstechnisch, ein definiertes Optimum zu erreichen.

Zusammenfassung (Englisch)

With reference to the present issues of climate change and environmental protection, and the parallel efforts and advances of research the use of biomass is becoming more and more important in relation to replace fossil fuels by regenerative and renewable sources. The focus is on fuel properties, fuel usage and problem areas of these alternative fuels. Although a wide range of solid biomass fuels have been investigated and the problem areas are well known, there is a significant demand on research regarding the ash of the biomass used in combination with the bed material of the fluidized bed system. Both the application of biomass in fluidized-bed combustion plants as well as single- or dual-fluidized bed gasifier for the production of producer gas for further syntheses, the problem of ash agglomeration as a result of fused ashes interacting with the bed material still remains. A low melting temperature of the biomass ashes is a technological limitation of the system. Fouling and slagging issues on the distributer plate of the fluidized bed reactor as another consequence can lead to considerable disturbances of the plant operation up to a standstill. The topic and aim of this thesis is the technical layout, design as well as construction and commissioning of a fluidized bed system in laboratory scale for continuous combustion of biomass pellets and initial tests with focus on the ashes. Starting with the properties of biomass, the thermochemical process and technical implementation of fluidized bed technology with their theoretical fundamentals will be discussed. The ash formation process with the resulting issues and problems complete the theoretical part of this work. For the practical implementation, an external company was contracted to implement the equipment according to our specifications. Due to previous planning discussions the design resulted in the actual final design. At the same time, all equipment necessary for the operation of the apparatus was organized and prepared based on the design calculations made. After assembling and installation of the equipment has been completed, it was possible to continue with the step-by-step commissioning up to the readiness for operation. The experimental part is subdivided into the fluidized bed specific part, which is essentially focused on measuring of the pressure loss profile of the perforated distributor and fluidized bed as a function of the fluidization velocity. The experiments carried out in hot operation provided the desired amounts of ash whose ash melting behavior was compared by means of a heating microscope with the ash produced from standardized conditions in the muffle furnace. A comparison of the ash melting behavior and the resulting softening and melting temperature showed a slightly lower softening temperature of the ash produced in the experimental apparatus. On the other hand, by comparing the ash melting curves of the ash produced in the experimental apparatus, almost identical behavior could be determined from the experiments. Finally, a further series of experiments with flue gas measurement were carried out to obtain information about the combustion process in the fluidized bed apparatus. The tests showed that, with a view to the combustion process, a few minor optimizations concerning the perforated air distributor, the fuel supply and the positioning of the flue gas measuring probe have to be carried out in order to approach an optimal combustion with regard to the flue gas composition. Based on the experiments carried out, it can be said that an optimum operating point of the plant can only be realized step by step and thus achieve a defined optimum in the use of a certain biomass by means of fluidized-bed technology as well as combustion technology.