Entwicklung eines Kugelrosts zur Verbrennung von Biomassepellets aus Weizenstroh in Kleinfeuerungsanlagen

  • Development of a ball grate system for the combustion of biomass pellets from wheat strawin small-scale furnaces

Schenke, Lukas; Quicker, Peter (Thesis advisor); Karl, Jürgen (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die energetische Nutzung von Biomasse stellt einen wichtigen Baustein der Energiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien dar. Ein erhebliches energetisches Nutzungspotenzial des landwirtschaftlich anfallendem Erntenebenprodukts Getreidestroh bleibt derzeit in der Bundesrepublik Deutschland ungenutzt. Allerdings fällt Getreidestroh regional in sehr unterschiedlichen Mengen an, wovon aufgrund konkurrierender Nutzungspfade variierende Strohmassen für die energetische Verwertung zur Verfügung stehen. Um große Transportentfernungen zu vermeiden, bietet sich eine dezentrale energetische Verwertung in Kleinfeuerungsanlagen an. Dabei stellt die Verbrennung von Stroh die Anlagentechnik zum Teil vor große Herausforderungen. Im Brennstoff enthaltene chemische Elemente, wie bspw. Kalium, sorgen für niedrige Ascheerweichungstemperaturen. Bei üblichen Verbrennungstemperaturen schmilzt oder versintert die Asche, was in Anlagenstörungen und -stillständen resultiert. Durch das Auswaschen des Strohs mit Wasser (Laugung) können solche problematischen Inhaltsstoffe reduziert werden. In Kombination mit Additiven, welche dem Stroh während der Pelletierung zugegeben werden, lässt sich die Ascheerweichung weitestgehend verhindern. Ein Sintern der Asche kann jedoch nicht vollständig vermieden werden, weshalb die Pelletasche ohne Brennbettbewegung bzw. -schürung als Aschekörper in geometrischer Pelletform bestehen bleibt und nicht durch vorgesehenen Rostschlitze abtransportiert werden kann. An dieser Problematik setzte diese Arbeit an, indem ein kontinuierlich angetriebenes Kugelrostsystem zur Bewegung des Brennbetts bzw. der Pelletasche entwickelt wurde. In einer Abwurffeuerung mit Brennertopf und einer starren mit Rostschlitzen versehenen Rostplatte wurde ein Rührer auf der Rostplatte integriert. Auf dem Rührer bzw. der Rostplatte wurden Kugeln aufgeschüttet. Der Rührer bewirkt eine Kugelbewegung und somit eine moderate Brennbettbewegung, wodurch die Asche langsam durch die Kugelschüttung sinkt, teilweise zerkleinert und mithilfe des Rührers durch Rostschlitze abtransportiert wird. In Kaltversuchen wurde zunächst das grundsätzliche Prinzip des entwickelten Kugelrostsystems getestet. Wie zu erwarten wurden die Strohpellets durch die bewegte Kugelschüttung in tiefere Schichten der Schüttung transportiert. Aufgrund der Kaltversuche konnten bereits die besonders relevanten Einflussparameter Rührerdrehzahl und Kugeldurchmesser als Startparameter der Verbrennungsversuche abgeschätzt werden. In einer Abwurffeuerung mit einer Nennwärmeleistung von 65 kW erfolgten die Verbrennungsversuche mit dem integrierten Kugelrostsystem. Ziel war die Untersuchung der Einflüsse von Rührer-drehzahl, Kugeldurchmesser, Kugelmaterial und Schüttungshöhe auf die Funktionalität und Effektivität des Systems. Dazu wurden während der Versuche Temperaturen, Luftmassenströme und Abgaskonzentrationen kontinuierlich erfasst. Nach den Versuchen konnte der Verbleib von Asche im Brennertopf gravimetrisch erfasst, die Kugeln und das Rostsystem auf materialbedingte Veränderung untersucht und die abtransportierte Asche bzgl. des Glühverlusts als Maß für den Ascheausbrand analysiert werden. Als Versuchsmaterial wurde Weizenstroh verwendet und nach der Ernte gelaugt, getrocknet und unter der Zugabe von Kalkhydrat als Additiv pelletiert. In ersten Versuchen ohne Kugeln und mit einer einzigen Kugelschicht musste eine zu große Temperaturbelastung des Rührers festgestellt werden. Die Welle des Rührers verformte sich, wodurch das System blockierte. Eine mehrlagige Schüttungshöhe von 60 mm sorgte für eine ausreichende Wärmeabschirmung des Rührers vom Brennbett. Als am besten geeignetes Kugelmaterial wurde V2A-Edelstahl ermittelt. Andere Materialarten waren anfällig gegenüber Korrosion, Temperatur oder Anhaftungen aufgrund einer zu rauen Oberfläche. Hohe Drehzahlen von 4,82 min-1 resultierten in zu hohen Kohlenmonoxidemissionen, welche den gesetzlichen Grenzwert von 400 mg/m3 zum Teil deutlich überschritten. Als geeignetste Parameter wurden letztlich eine Rührerdrehzahl von 0,84 min-1, eine Schüttungshöhe von ca. 60 mm mit V2A-Edelstahlkugeln bei einem Durchmesser von 15 mm und einer Primärluftlambda zwischen 0,7 und 0,8 ermittelt. Mit diesen Parametern wurde ein Langzeitversuch, bestehend aus fünf separaten Einzelversuchen, durchgeführt. Nach den Versuchen ergaben sich hochunterschiedliche Ergebnisse hinsichtlich des Ascheabtransports aus dem Brennertopf. Bei drei der fünf Versuche wurde jegliche Asche nahezu vollständig abtransportiert und es waren keine Anhaftung oder Anbackungen an den Kugeln erkennbar. Bei zwei Versuchen verblieben jedoch 12 % bzw. 3 % der Aschengesamtmasse im Brennertopf als Ascheagglomerate und Anbackungen an den Kugeln. Die sonstigen Bewertungskriterien Emissionen und Glühverlust der Aschen waren bei allen fünf Versuchen ähnlich und auf einem geringen Niveau. Die durchschnittlichen Kohlenmonoxid-, Staub- und Stickoxid-Konzentrationen betrugen 35,7 mg/m3, 26,3 mg/m3 und 245 mg/m3 (bezogen auf das trockene Normvolumen bei 13 % Bezugssauerstoff). Der durchschnittliche Glühverlust der Aschen betrug 3,1 %. Zum Vergleich wurden in einer kommerziellen Wanderrostfeuerung Verbrennungsversuche durchgeführt. Die Asche konnte durch den Wanderrost kontinuierlich und ohne Anlagenstörung abtransportiert werden. Emissionen und Glühverlust der Asche waren vergleichbar zu den Versuchen mit dem Kugelrostsystem. Die Werte der durchschnittlichen Kohlenmonoxid-, Staub- und Stickoxid-Konzentrationen lagen bei 49,3 mg/m3, 16,6 mg/m3 und 246,2 mg/m3 und der Glühverlust betrug maximal 3,3 %. Es konnte gezeigt werden, dass mit der deutlich einfacheren und ökonomischeren Anlagentechnik des Kugelrostsystems im Vergleich zum Wanderrostsystem ein kontinuierlicher Verbrennungsprozess grundsätzlich möglich ist. Allerdings konnte aufgrund der gelegentlichen Bildung von Ascheagglomeraten kein zuverlässiges System entwickelt werden. Durch mögliche weitere Untersuchungen der Versuchsparameter ist ein zuverlässiger kontinuierlicher Betrieb in einer Kugelrostfeuerung jedoch denkbar. Sollte dieser Entwicklungsschritt gelingen, stellt das Kugelrostsystem eine technische und insbesondere wirtschaftliche Alternative zur Verbrennung von behandelten Stroh-pellets (gelaugt und additiviert) in Kleinfeuerungsanlagen dar.

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