Development of a new method for determination of ash behavior in fluidized bed conversion processes

Abstract

In einem Wirbelschichtreaktor interagieren Bettmaterialpartikel bei erhöhten Temperaturen mit der Brennstoffasche. Als Folge dieser Wechselwirkungen können operative Probleme wie Sintern und Agglomeration auftreten, was zu Veränderungen in der Fluidisierungsdynamik führt. Obwohl es in einigen Fällen vorteilhaft sein kann (z.B. Wirbelschichtgranulation) im Falle von Wirbelschichtumwandlungsprozessen ist aber Agglomeration ein unerwünschtes Phänomen, das erhebliche Betriebsprobleme verursacht und im schlimmsten Fall Defluidisierung des Bettes. Daher ist das Verständnis des Ascheverhaltens bei thermochemischen Umwandlungsprozessen (Vergasung und Verbrennung) sowie die Schaffung einer zuverlässigen Methode zur Vorhersage des Ascheschmelzens im Wirbelschichtreaktor notwendig. Zur Bestimmung der Ascheschmelztemperatur im Wirbelbett können verschiedene Methoden wie das Ascheschmelzverhalten, der Kompressionsfestigkeitstest oder der kontrollierte Wirbelschicht-Agglomerationstest eingesetzt werden. Diese Tests berücksichtigen jedoch weder den Einfluss der lokalen Überhitzung durch brennende Brennstoffpartikel noch die fortschreitende Ansammlung von Asche im Bett. Problematisch kann das bei Brennstoffen wie Weizenstrohlignin oder Reisschale sein, wo die Bildung und Ansammlung kohärenter Aschepartikel an der Bettoberfläche zu ernsthaften Betriebsproblemen führt. Ziel dieser Masterarbeit ist es daher, eine realistische und zuverlässige Methode zur Bestimmung des ascheproblematischen Verhaltens im Wirbelschichtreaktor bei thermochemischen Umwandlungsprozessen zu entwickeln. Im Gegensatz zu den heute verwendeten Techniken sollte diese auch den Einfluss der lokalen Überhitzung berücksichtigen, die durch brennende Brennstoffpartikel und fortschreitende Ansammlung von Asche im Bett verursacht wird.

Within a fluidized bed reactor, bed material particles interact with the fuel ash at elevated temperatures. As a consequence of these interactions operational problems such as sintering and agglomeration can occur, which causes changes in fluidization dynamics. Although it can be in some cases beneficial (e.g. fluidized bed granulation) in the case of fluidized bed conversion processes agglomeration is an undesired phenomenon which causes significant operating problems and in the worst case scenario can cause total defluidization of the bed. Therefore the understanding of the ash behavior during thermochemical conversion processes (gasification and combustion), as well as creating of a reliable method for the prediction of the ash melting in the fluidized bed reactor is necessary. Several methods such as the ash fusion test, the compression- strength- based test or the controlled fluidization bed agglomeration test can be used to determine the ash melting temperature in the fluidized bed. However these tests takes into account neither the influence of the local overheating caused by burning char particles nor progressive accumulation of ash in the bed. That can be problematic in the case of fuels like wheat straw lignin or rice husk, where formation and accumulation of coherent ash particles at the top of the bed leads to serious operational problems. The aim of this masters thesis is therefore to develop a realistic and reliable method for determination of ash problematic behavior within the fluidized bed reactor during thermochemical conversion processes. Unlike presently used techniques this one should also take into account the influence of the local overheating caused by burning char particles and progressive accumulation of ash in the bed.