Title: Suitability of a newly developed fluidized bed reactor for the activation of alternative bed materials
Other Titles: Eignung einer neu entwickelten Wirbelschichtversuchsanlage zur Aktivierung alternativer Bettmaterialien
Language: English
Authors: Langer, Markus 
Qualification level: Diploma
Advisor: Hofbauer, Hermann 
Issue Date: 2020
Number of Pages: 116
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Der stetig steigende Energiebedarf unserer heutigen Gesellschaft fordert die Errichtung neuer Anlagen um diese enorme Nachfrage decken zu können. Die Herausforderung besteht darin, den Wechsel von fossilen Rohstoffen hin zu erneuerbaren Energieträgern zu vollziehen, um die anthropogene Belastung für Umwelt und Lebewesen zu minimieren und die den Klimawandel fördernden Treibhausgasemissionen möglichst rasch zu unterbinden. Die Wirbelschichttechnik ist eine sehr vielversprechende Technologie, mit der es möglich ist aus Biomasse bzw. biogenen Reststoffen Energie CO2-neutral und klimafreundlich zu gewinnen. Wirbelschichtanlagen sind in der Lage die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie in eine für uns benötigte Form der Energie wie Wärme, Strom oder Produktgase überzuführen. Die dadurch erlangten Energieformen sind sehr gut geeignet, um in bestehende Infrastrukturen eingegliedert zu werden. Ein essenzieller Bestandteil von Wirbelschichtanlagen ist das Bettmaterial. Einerseits dient das wirbelnde Bettmaterial als Wärmespeicher bzw. Wärmeübertrager und sorgt damit für eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Brennraum des Reaktors, andererseits kann das Bettmaterial auch katalytische Eigenschaften besitzen, welche besonders für die bei der Vergasung ablaufenden Reaktionen einen wichtigen Aspekt darstellen. Durch den intensiven Kontakt mit dem Brennstoff und dem Fluidisierungsmedium interagieren die einzelnen Partikel des Bettmaterials mit dem Brennstoff und der bei der Verbrennung entstehenden Asche womit es zu Schichtbildungen an den Oberflächen der Partikeln kommt.Um die katalytischen Effekte verschiedener Bettmaterialien besser verstehen und untersuchen zu können, wurde eine Versuchsanlage im Labormaßstab gebaut, mit dem Ziel eine möglichst hohe Brennstoff- als auch Bettmaterialflexibilität zu erreichen. Um eine qualitative Aussage über die zeitliche Abhängigkeit des Schichtaufbaus geben zu können, wurden mehrere Versuche mit unterschiedlichen Bettmaterialien durchgeführt. In regelmäßigen Abständen wurden Bettmaterialproben entnommen, welche anschließend mit Hilfe eines separaten Festbettreaktors auf deren katalytische Aktivität untersucht wurden. Wie sich dadurch herausstellte, ist die bestehende Wirbelschichtanlage für die ursprüngliche Aufgabe und Fragestellung, der Anreicherung und Aktivierung des Bettmaterials, im derzeitigen Zustand nur bedingt geeignet. Begründet ist dies vor allem in der konstruktiven Ausführung und der daraus resultierenden geometrischen Abmessungen des Brennraums der Anlage. Insbesondere die Art der Fluidisierung und die damit verbundene Mindestmenge an erforderlichen Bettmaterial, um die Anlage über längere Dauer konstant betreiben zu können, stellt sich als problematisch für die Anreicherung dar. Um diese Aussage zu bekräftigen, wurden einige Proben zusätzlich mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht, wodurch die elementare Zusammensetzung an der Partikeloberfläche ermittelt wurde. Es hat sich gezeigt, dass sich die Versuchsanlage, nicht zuletzt wegen den vielen vorgenommenen Detailverbesserungen, basierend auf den Beobachtungen und Erkenntnissen der durchgeführten Versuche, sehr gut für die Verbrennung biogener Festbrennstoffe sowie für den Einsatz verschiedener Bettmaterialien eignet. Die umfangreichen Erkenntnisse und das daraus gewonnene Wissen wird in dieser Arbeit zusammengefasst. Mit dem Ziel der besseren Veranschaulichung sowie der Vervollständigung der Dokumentation wurde die Versuchsanlage in einem 3D CAD Programm modelliert, um das daraus gewonnen Wissen auch visuell für eventuell spätere Umbauten oder weitere Versuchsanlagen gleichen Typs heranziehen zu können.

The increasing energy demand of our society demands the construction of new power plants to be able to meet this enormous demand. The challenge is to switch from fossil fuels to renewable energy sources as quickly as possible, in order to minimize the anthropogenic impact on the environment and living beings and to prevent greenhouse gas emissions that promote climate change. Fluidized bed technology is a very promising technology, which allows generation of energy in a CO2-neutral and climate-friendly manner from biomass or biogenic residues. Fluidized bed systems are able to convert the chemical energy, stored in biomass, into various forms of energy required for our society such as heat, electricity or product gases. The resulting forms of energy are very well suited for integration into existing infrastructures. The bed material is an essential component of fluidized bed systems. On the one hand, the swirling bed material serves as a heat accumulator or heat exchanger and thus ensures that the temperature distribution in the combustion chamber of the reactor is as homogeneous as possible. On the other hand, the bed material can also have catalytic properties, which is an important aspect, especially for reactions taking place during gasification. Due to the intensive contact with the fuel and the fluidization medium, the individual particles of the bed material interact with the fuel and the ash during combustion. This leads to layer formation on the surfaces of the particles.In order to better understand and investigate the catalytic effects of different bed materials, a testing plant was built on a laboratory scale, with the aim of achieving the highest possible fuel and bed material flexibility. In order to be able to give a qualitative statement about the temporal dependence of layer formation, several experiments were carried out with different bed materials. Bed material samples were taken at regular intervals, which were then examined for their catalytic activity, using a separate fixed bed reactor. As it turned out, in its current state the existing fluidized bed system is of limited suitability for the original task, the enrichment and activation of the bed material. This is mainly due to the design and the geometric dimensions of the combustion chamber of the testing plant. In particular the type of fluidization and the associated minimum amount of bed material, in order to be able to operate the system constantly over a long period of time, is problematic in order to sufficiently enrich the bed material. To confirm this statement, some samples were examined in a scanning electron microscope, whereby the elemental composition on the particle surface was determined. Because of many detailed improvements that have been made, based on the observations and findings of the experiments, it turned out that the testing plant is very suitable for the combustion of biogenic solid fuels and for the use of various bed materials. The extensive insights and the knowledge gained from the experiments are summarized in this thesis.With the aim of better illustration and to complete the documentation, the testing plant was modeled in a 3D CAD program in order to be able to use the knowledge gained visually for possible later modifications or for other testing plants of the same type.
Keywords: Wirbelschicht; Laboranlage; Aktivierung von Bettmaterial
Fluidzed Bed; laboratory plant; activation of bed materials
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.81564
http://hdl.handle.net/20.500.12708/15393
DOI: 10.34726/hss.2020.81564
Library ID: AC15734846
Organisation: E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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