Optimierung einer stationären Wirbelschichtfeuerung für niederkalorische Brennstoffe

Abstract

Die Fernwärme Wien GmbH verbrennt in der Sondermüllverbrennungsanlage in der Simmeringer Haide den Klärschlamm der Hauptkläranlage Wien. Charakteristisch für Klärschlamm ist, dass bis zu 90% des vorhandenen Kohlenstoffs als flüchtige Bestandteile vorliegen, wodurch sich eine reduzierte Wärmefreisetzung im Bett ergibt. Wegen hoher Feuchte und dem hohem Aschegehalt werden hochkalorische Stützbrennstoffe benötigt, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten. Im Zuge dieser Arbeit wird das Verhalten fester und flüssiger Stützbrennstoffe untersucht und der optimale Betriebsbereich der Anlage evaluiert. Die Untersuchungen werden an dem Wirbelschichtofen 1 der Anlage durchgeführt, der als stationäre Wirbelschicht betrieben wird. In zwei Versuchsprogrammen, einmal mit Heizöl Schwer als flüssigem und einmal mit Schredderleichtfraktion als festem Stützbrennstoff, werden jeweils Variationen der Primärluft- und Brennstoffmenge durchgeführt. Die Messdaten werden anschließend mit dem Prozesssimulationsprogramm IPSEpro ausgewertet. Auf Basis der Versuchsergebnisse wird ein Parametermodell entwickelt, dass den Zusammenhang der drei charakterisierenden Kenngrößen mathematisch beschreibt. Als Ergebnis lässt sich feststellen, dass bei hoher Primärluftmenge die Wärmefreisetzung im Bett am höchsten ist und somit am wenigsten Stützbrennstoffe für erwünschte Temperaturen im Bett benötigt werden. Als Ursache dafür ist anzunehmen, dass dadurch eine bessere Durchmischung des Brennstoffs im Bett stattfindet, der Klärschlamm weniger an der Bettoberfläche segregiert und somit mehr Wärme im Wirbelbett frei wird. Weiter sind diverse Unterschiede der Stützbrennstoffe Heizöl Schwer und Schredderleichtfraktion erkennbar.<br />Die Schredderleichtfraktion ist in ihrer Zusammensetzung inhomogen, deren chemische Eigenschaften daher großen Schwankungsbreiten unterworfen und somit schwerer zu bilanzieren. Bei den Versuchen mit Schredderleichtfraktion ist die prozentuale Wärmefreisetzung im Wirbelbett immer größer als bei den Versuchen mit Heizöl Schwer.<br />

The sewage sludge coming from the wastewater treatment plant of Vienna is burnt in the adjoining waste incinerating plant in a stationary fluidized bed. Due to the high water and ash content of sewage sludge, highly calorific auxiliary fuels are necessary to reach desired temperatures in the oven. The task of this diploma thesis is to determine the combustion characteristics of solid and liquid auxiliary fuels and to evaluate the optimal operating range. During two test series, with heavy oil and light-weight fraction of automotive shredder residue, several variations of the flow rate of primary air as well as of fuel are made. Afterwards, the measured data are evaluated using the process simulation software IPSEpro. Based on these results, a parameter model is developed to mathematically describe the interrelation between the characteristic parameters. The results of the experiments show that the heat release in the bed is highest at high amounts of primary air, and that therefore less auxiliary fuel is necessary to keep a certain bed temperature. It can be assumed that at higher fluidization numbers there is a better mixing in the bed and for that reason a desirable displacement of the heat release from the freeboard into the bed occurs. During the experiments with shredder residue, the heat release in the bubbling bed was always higher than during the experiments with heavy oil.