Entwicklung und Betrieb einer Anlage zur druckaufgeladenen Holzstaubverbrennung

Abstract

Ausgehend von Voruntersuchungen, dass für den Leistungsbereich von 1-2 MWel die thermische Stromerzeugung durch direkt holzstaubgefeuerte Gasturbinen - verglichen mit anderen holzgefeuerten thermischen Prozessen - sowohl technisch als auch wirtschaftlich gesehen vorteilhaft ist, arbeitet man am Institut für Thermische Turbomaschinen und Energieanlagen der Technischen Universitaet Wien an der Realisierung einer direkt holzstaubgefeuerten Gasturbinenanlage. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens beschaeftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und dem Betrieb einer Versuchsanlage zur druckaufgeladenen Verbrennung von Holzspaenen und Holzstaub. Zu diesem Zweck wird eine zweistufige Brennkammer, wobei die Primaerkammer als Zyklonbrennkammer ausgeführt wird, und ein Axialzyklon entwickelt. Mit der Versuchsanlage wird ein offener Gasturbinenprozess simuliert. Das druckaufgeladene Heißgas der Brennkammer wird nach Entstaubung in einem Axialzyklon mit Hilfe einer Drosselklappe auf Umgebungsdruck expandiert. Das Betriebsverhalten der Brennkammer und die Abscheideleistung des Zyklons werden gemessen und bewertet. Die vorliegende Arbeit wird zeigen, dass die entwickelte Brennkammer hinsichtlich Verbrennungsqualität, aber auch bezüglich Umwelt und Wirtschaftlichkeit, die folgenden Anforderungen erfüllt: Ausreichende Brennstoffverweilzeit in der Brennkammer, um einen optimalen Ausbrand des Brennstoffes zu erzielen. Schadstoffarme Verbrennung; Minimierung von CO-, CnHm- und NOx-Emissionen durch gezielte Verbrennungsführung. Bei der Verbrennung von Holz bietet die gestufte Verbrennungsführung Moeglichkeiten schadstoffarm zu verbrennen. Durch Trennung der Verbrennungszone in eine primaere unterstoechiometrische Vergasungszone und eine sekundaere Nachbrennzone mit Luft- bzw. Sauerstoffueberschuss lassen sich die Emissionen im Abgas reduzieren bzw. vermeiden. Bei den Verbrennungsversuchen werden die drei unterschiedlichen Holzsorten schwedischer Holzstaub, Fichtenspaene und Buchenspaene verfeuert. Die Unterschiede im Verbrennungsverhalten dieser drei Brennholzsorten werden gemessen und gegenuebergestellt. Weiters wird mit Hilfe des Vergasungsgleichgewichtes, analog zur Kohlevergasung, die Vergasungstemperatur in Abhaengigkeit vom verwendeten Brennstoff berechnet. Damit kann bei Verwendung anderer Holzsorten die Vergasungstemperatur in der Primaerkammer voraus berechnet werden. Von besonderem Interesse ist die Abgaszusammensetzung, die mit Hilfe eines Rauchgasanalysators gemessen wird. Das Emissionsverhalten in Abhaengigkeit von gewählten Verbrennungsbedingungen gibt Aufschluss ueber die Betriebscharakteristik der Brennkammer. Es wird gezeigt, dass die Anlage der oesterreichischen Luftreinhalteverordnung entspricht. Das Heißgas aus der Brennkammer ist mit Aschepartikel verunreinigt. Je nach Aschegehalt des verwendeten Brennholzes variiert die Partikelbeladung des Heißgases. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe des Axialzyklons ein Grossteil dieser Partikel aus dem Gasstrom entfernt werden kann. Im Hinblick auf den geplanten Betrieb einer Gasturbine wird der Axialzyklon nach folgenden Kriterien ausgelegt: Abscheideleistung: Grenzkorn, Teilchengroesse bei der Teilchen noch abgeschieden werden, und Abscheidegrad. Druckverlust des Heißgases beim Durchstroemen des Zyklons: je geringer der Druckverlust des Gases beim Durchstroemen des Zyklons ist, umso groesser ist der Wirkungsgrad im Gasturbinenprozess. Abschliessend werden die Ergebnisse der Staubmessungen im Abgasstrom gezeigt. Neben gravimetrischen Staubmessungen, zur Bestimmung der Abgasbeladung, wird weiters die Partikelgroessenverteilung im Abgasstrom bestimmt. Die Messung der Staubgroessenverteilung erfolgt mit Hilfe eines Kaskadenimpaktors.

In the power range from 1 to 2 MWel, wood-fired gas turbines can be expected to be economically advantageous compared with other thermal power cycles operated with wood fuel. Based on this consideration the development of a wood particle fired gas turbine with direct combustion is one of the research objectives of the Institute of Thermal Turbomachines and Powerplants at the Vienna University of Technology. Within this project the present thesis deals with the development and the realization of a test facility for pressurized wood combustion. This means, in particular, engineering, manufacture and operation of a combustion chamber and a hot gas cyclone are carried out. The test rig consists of a fuel feeding system, the combustion chamber, the cyclone separator, a compressor and a damper. The damper is used to expand the hot pressurized gas from the combustor. A large series of test runs was carried out with 3 different wood fuels (Swedish sawdust, spruce and beech), numerous fuel feed rates and equivalence ratios in the combustion chamber to investigate the combustion and emission performance of the test facility. The combustion chamber is shown to have a wide operating range and can handle different sawdust tolerating variations in moisture content. One of the main goals of this Ph.D. thesis is to show that the pressurized combustion chamber for pulverized wood fulfils the following requirements: Sufficient burning times for achieving almost complete fuel-burnout in the combustion chamber. Reduction of emissions (CO, CnHm and NOx) in the exhaust by using staged combustion technique. Using a two stage combustor, the combustion process can be divided in two zones: A primary zone for pyrolysed-gasified-combustion and a secondary zone where the gas from the primary zone is combusted with excess air. This combustion technique offers the possibility to reduce emissions in the exhaust gas. Furthermore the water-gas shift reaction is used to calculate gasification temperatures for different fuels and equivalence ratios in the primary combustion zone. The calculation shows that the temperatures compare well with experimental data. Gas composition is of major importance for analyzing the combustion process. High CO and CnHm concentrations in the exhaust indicate incomplete combustion in the two stage combustion chamber. A main purpose of the test runs was to investigate the effect of air staging and temperature on the emissions of CO, CnHm and NOx. It will be shown that the emissions are within the Austrian emission limits. Hot gas cleaning plays an important role in the development of the direct wood particle fired gas turbine. The removal of solid particles from combustion gases is essential to maintain the useful life of gas turbine components. In gas turbine plants with wood combustion systems, high concentrations of particulates can lead to an unacceptable level of maintenance. Hot gas cleaning is therefore a fundamental step in wood combustion systems. Cyclone cleaning systems offer at present one of the best solutions for removing solids from high-temperature high-pressure flows. These devices are simple, inexpensive and practically maintenance-free and possess relatively high separation efficiency. Their main disadvantage is a low separation efficiency for particles of sizes less than 5µm. Finally, results of dust measurements are presented. The dust concentration in the exhaust and the particle size distribution in the exhaust are shown.