Untersuchung zur Erweiterung des Betriebsbereiches einer stationären Wirbelschichtfeuerung für niedrigkalorische Brennstoffe

Abstract

Durch die Verbrennung von Klärschlamm kann die darin gespeicherte Energie wiedergewonnen und das Volumen der zu lagernden Reststoffe minimiert werden. Durch die Robustheit des Prozesses ist die Verbrennung in stationären Wirbelschichten dafür sehr gut geeignet. Die Verbrennungseigenschaften und die Zusammensetzung des Klärschlamms unterscheiden sich allerdings stark von konventionellen festen Brennstoffen wie z.B. Kohle. Der hohe Wasser- und Aschegehalt des Schlamms erfordert die Zufeuerung von Stützbrennstoffen. Des Weiteren ist der Anteil der flüchtigen Bestandteile (bis zu 80%) viel höher als bei Kohle.<br />Bei der Verbrennung in Wirbelschichten wird der Klärschlamm nicht zur Gänze im Wirbelbett umgesetzt. Ein Teil der flüchtigen Bestandteile verbrennt erst im darüberliegenden Freiraum. Ziel der Arbeit war es, mit Hilfe von Versuchen an einer Industrieanlage jene Mechanismen zu bestimmen, die den Ort der Freisetzung und den der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile beeinflussen, und zu bestimmen, wie diese Parameter verändert werden müssen, damit der Anteil der Wärmefreisetzung im Wirbelbett vergrößert wird. Das Hauptaugenmerk wurde dabei vor allem auf die Querschnittsbelastung sowie auf die Fluidisierungsgeschwindigkeit gelegt. Die Versuchsdaten wurden mit einem Modell, basierend auf Massen- und Energiebilanzen, ausgewertet. Der Reaktor wurde dazu in zwei Bilanzzonen (Wirbelbett und Freiraum) unterteilt.<br />Die Versuche haben gezeigt, dass die Fluidisierungsgeschwindigkeit signifikant ist und sich eine Erhöhung positiv auf die Wärmefreisetzung im Wirbelbett auswirkt. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde das Bilanzierungsmodell um eine Parametergleichung zur Vorhersage des Brennstoffumsatzes in der Bettzone erweitert. Simulationen mit dem erweiterten Modell zeigen, dass weitere Maßnahmen wie die alternative Vorwärmung der Verbrennungsluft mit Hochdruckdampf sowie die Anreicherung der Verbrennungsluft mit Reinsauerstoff weiteres Optimierungspotential bergen. Die Erhöhung des Trockensubstanzgehalts im Klärschlamm hat ebenfalls signifikanten Einfluss auf den Stützbrennstoffbedarf.<br />

Incineration of sewage sludge is an established technology for recovering its energy content and for reducing the volume for landfilling. Because of its robust character, bubbling fluidized beds are often chosen for this purpose. However, composition and combustion characteristics of sewage sludge are completely different from traditional solid fuels like coal. Due to the high water and ash content, autothermal combustion is not possible and the use of secondary fuels is necessary. Another aspect of the characteristics of sewage sludge is the high content of volatile matter (up to 80%) During the combustion of sewage sludge in a fluidized bed incinerator, only a part of the carbon conversions takes place in the bed region. The rest is converted in the freeboard region above the bed surface. The purpose of this master thesis was to find out which parameters influence this partial heat release phenomenon and how they have to be changed to increase the heat release in the bed region. To identify these parameters, experiments were carried out on an industrial scale plant.<br />The focus in the experiments was on the influences of the specific fuel power (fuel power per bed surface) and the fluidization gas velocity.<br />The results were processed in a steady state mass and energy balance model. In the model, the height of the fluidized bed reactor was divided into two different zones, the bed and the freeboard region.<br />The results of the experiments show, that the fluidization gas velocity has a significant impact on the heat release in the bubbling bed. With the knowledge gained from the experiments, the mass and energy balance model was extended by a parameter equation describing the partial heat release according to several parameters. A simulation based on the parametric model shows that several other measures like alternative air preheating, oxygen enrichment of the combustion air and reduction of the water content of the sewage sludge can bring further improvements.