Partikelhaushalt und Korngrößenreduktionsmechanismen in Wirbelschichten bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die druckaufgeladene zirkulierende Wirbelschichtanlage des Instituts für Thermodynamik und Energiewandlung in den Heißbetrieb genommen. Diese Versuchsanlage mit einer maximalen thermischen Leistung von etwa 300 kW kann sowohl stationär, als auch zirkulierend bei Temperaturen von nahezu Umgebungstemperatur bis zu 850 °C und Drücken von 1 - 13 bar betrieben werden. Der in einem Druckbehälter montierte Reaktor weist eine Höhe von 4 m und einen Steigrohrdurchmesser von 0,1 m auf. Fester Brennstoff soll in einer Atmosphäre, die jener des tatsächlichen Verbrennungsprozesses im Kraftwerk entspricht, umgesetzt werden. Um den Aufwand für die Aufbereitung des festen Brennstoffes in Grenzen zu halten, wurde ein Gasbrennring entwickelt, mit dessen Hilfe zusätzlich zum festen auch gasförmiger Brennstoff (Erdgas) verbrannt werden kann, um bei geforderter Luftüberschusszahl die benötigte Menge an festem Brennstoff zu reduzieren. Aufgrund des Einsatzes eines internen Gasbrenners sowie elektrischer Lufterhitzer in Kombination mit der Feststoffrückführung durch ein L-Valve war die Entwicklung eines speziellen Anfahrvorganges nötig, um einen zirkulierenden Betriebszustand zu erreichen. Mit Hilfe dieser Anlage im Technikumsmaßstab sollen die Partikelgrößenverteilungen des Feststoffinventars (Brennstoff, Inertmaterial, Sorbent), welche sich während des Betriebes infolge auftretender Größenreduktionsmechanismen ändern, sowie der Wärmeübergang und die Schadstoffbildung untersucht werden. Die Beschreibung der Korngrößenreduktionsmechanismen im Zuge von Simulationsprogrammen für Wirbelschichtanlagen ist eine umfangreiche und schwierige Aufgabe. Die Kontrolle und Regelung des Korngrößenhaltes ist jedoch Grundvoraussetzung für den erfolgreichen Betrieb von Wirbelschichtreaktoren. Die besonderen Eigenschaften von Wirbelschichten werden praktisch ausschließlich vom fluidisierten Feststoff und dessen Partikelgrößenverteilung bestimmt. Während des Betriebs ändert sich aufgrund verschiedener physikalischer und chemischer Vorgänge im Reaktor die Zusammensetzung und Korngrößenverteilung des Feststoffinventars. Variiert diese erheblich von der "Auslegungs-Größenverteilung", kann das Betriebsverhalten der Anlage negativ beeinflusst werden, da in vielen Fällen das vertikale Temperaturprofil von der Feststoffverteilung im Reaktor abhängt.<br />Zur Entnahme von Inventarmaterial während des Betriebs wurde ein spezielles Probenahmesystem für körniges Schüttgut konstruiert und erprobt. Zahlreiche Tests bei verschiedenen Bedingungen zeigten, dass beim Extraktionsvorgang weder Entmischung noch die Separation einzelner Fraktionen auftritt.<br />Als Festbrennstoff wurde Braun- und Steinkohle bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen verfeuert. Die diskontinuierlich an verschiedenen Stellen des Reaktors entnommenen Proben sowie das gesamte Inventarmaterial nach Betriebsende wurden hinsichtlich der Partikelgrößenverteilung des Inertmaterials und des Brennstoffs analysiert und bewertet.<br />

The pressurized circulating fluidized bed (PCFB) test rig, which has been built in the laboratory of the Institute for Thermodynamics and Energy Conversion at Vienna University of Technology, has been developed to study size reduction mechanisms, which occur to the solids inventory material, to investigate solids distribution and heat transfer and to do research about pollutants release and reduction. The system can be operated up to temperatures of 850 °C and from atmospheric pressure up to pressure levels of 13 bars. The reactor, which is mounted in a pressure vessel, has a height of 4 m and a riser inner diameter of 0,1 m. Solid fuel (coal, biomass) and natural gas can be burnt. For the combustion of natural gas and for the setting of excess air during combustion an internal gas burner is installed in the riser. Single fuel operation, with coal only, is difficult because of the high efforts required to prepare the coal particles (size distribution).<br />Due to the use of electrical air heaters and an internal gas burner a special start up process of the PCFB reactor without inventory mass was developed for achieving steady circulating operation.<br />A sampling system for granular bulk material was designed for the extraction of inventory material discontinuously out of the riser, the return leg and the storage tank below the secondary cyclone during operation. By the help of this sampling system, particle size distributions and size reduction mechanisms are to be examined.<br />Experiments demonstrate that no significant classification or separation phenomena occurred due to the sampling procedure.<br />The modelling of size reduction mechanisms in simulation programs for the design of fluidized bed boilers is an extensive and difficult problem, but necessary for successful operation, because the particularities of fluidized beds are mainly defined by the fluidized solids and their particle size distribution. During operation the composition and size distribution of inventory material changes due to several physical and chemical phenomena, taking place continuously in the furnace. If the size distribution of the inventory material differs considerably from the original "design size distribution" the main operating parameters of the fluidized bed reactor can be influenced in a negative way. Brown coal and black coal were burned at different pressurized circulating fluidized bed conditions. The extracted samples and the total inventory after the experiments are analyzed and evaluated regarding to the changing particle size distribution of the inert material and the fuel.<br />