Grundlagenuntersuchungen zur Biomassetrocknung und Entwicklung eines Verfahrens zur Niedertemperaturtrocknung von Hackschnitzel

Abstract

Die Bedeutung von Biomasse als Brennstoff für Heizwerke und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) nimmt stetig zu. Bedingt durch das beschränkte Rohstoffpotential gewinnen effizienzsteigernde Maßnahmen, die zu einer besseren Ausnutzung des Brennstoffes führen, dabei immer mehr an Bedeutung. In vielen Anlagen zur energetischen Nutzung von Biomasse, wird Biomasse mit einem Wassergehalt von 35% oder mehr verwendet. Eine Reduktion des Wassergehalts würde unter anderem zu einem Anstieg des Energiegehalts der Biomasse, im Fall von KWK-Anlagen zu einem Anstieg des elektrischen Wirkungsgrades und im Allgemeinen zu einer verbesserten Lagerfähigkeit der Biomasse führen. Trotz dieser Vorteile kann die Brennstofftrocknung bei Heizwerken und KWK-Anlagen bis dato nicht als Stand der Technik bezeichnet werden. Vor allem Niedertemperaturtrockner, die Abwärmen auf niedrigem Temperaturniveau (<100°C) nutzen können, die derzeit anderweitig keine wirtschaftlich Verwendung finden, stellen in diesem Bereich eine aussichtsreiche Möglichkeit dar.<br />Aus den oben angeführten Gründen wird in im Zuge dieser Arbeit ein Trocknungsmodell für poröse Partikel erstellt. Dieses Modell berücksichtigt alle in der Literatur bekannten Transportmechanismen im Partikelinneren sowie den Wärme- und Stoffübergang an der Oberfläche des Partikels. Des Weiteren wird ein Modell zu Trocknung einer Schüttung erstellt, welches das Einzelpartikelmodell zur Berechnung der lokalen Trocknungsgeschwindigkeit in der Schüttung verwendet.<br />Um das Modell zu validieren wird eine Versuchsapparatur zur Trocknung von Einzelpartikeln und Schüttungen von Hackschnitzel errichtet, mit der außerdem der Druckverlust von Schüttungen, welcher eine weiter entscheidende Auslegungsgröße eines Trocknungsapparates darstellt, bestimmt werden kann.<br />Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Schachttrockner für die Trocknung von Hackschnitzel entwickelt, der nach Diskussion mit Anlagenbetreibern und Anlagenbauern für den Einsatz in Biomasse-Konversionsanlagen als geeignet erachtet werden kann. Mit dem validierten Modell zur Beschreibung der Trocknung in Schüttungen, kann die Auslegung eines solchen Niedertemperatur-Schachttrockners durchgeführt werden. Die Strömungsverhältnisse der Trocknungsluft werden mit einem eigens entwickelten vereinfachten Computermodell zur Beschreibung des Strömungszustandes in porösen Medien berechnet. Um auch Größen wie die Staubbelastung in der Abluft, die von dem Modell nicht berechnet werden können, bestimmen zu können, wird eine Pilotanlage mit einer Verdampfungsleistung von ca. 40 kg Wasser pro Stunde errichtet, was bei einem Holzmassenstrom von 100 kg/h einer Trocknung von 40% auf 20% Wassergehalt entspricht.<br />Die Ergebnisse zeigen, dass der entwickelte Trockner zufriedenstellend funktioniert. Es wird ein gleichmäßiges Trocknungsergebnis erzielt und eine Staubbelastung in der Abluft von unter 1 mg/Nm³ erreicht.<br />Die abschließend durchgeführte Auslegungsrechnung und Wirtschaftlichkeitsanalyse für eine Implementierung der Trocknung in die Biomassevergasungsanlage Güssing zeigen, dass dieses Verfahren technisch realisierbar und mit einer Amortisationszeit von 2 Jahren wirtschaftlich sinnvoll ist. Im Sommer 2008 soll daher mit dem Bau eines Trockners dieses Typs für die Biomassevergasungsanlage Güssing begonnen werden.<br />

Since the demand for biomass as energy source is increasing but its availability at the market is limited, techniques to increase the efficiency of biomass conversion plants become essential. One of these techniques is fuel drying. In many thermal biomass conversion plants wet fuels with moisture contents of 35% or even higher are used. Besides increasing the heating value of the fuel, drying positively affects many other parts of the biomass conversion process. In combined heat and power plants (CHP) the electrical efficiency increases with lower fuel moisture contents and the dry mass losses during storage of the biomass are reduced. Especially low temperature drying has energetic advantages since in this case heat flows at low temperatures can be used which cannot be used economically elsewhere. Although the positive effects of biomass drying are well known, low temperature drying of biomass isn't state of the art.<br />Within this work a simulation model for low temperature drying of single wood particles has been developed. This model takes all the heat and mass transport mechanisms inside the particle known in literature into account. Furthermore a simulation model for deep bed drying of wood chips has been developed, which uses the single particle model to calculate the local drying rate in different heights of the deep bed.<br />In order to validate the simulation model, an experimental device for drying of single particles and deep beds has been built. With this experimental device also the pressure drop of a deep bed can be measured, which is an important design parameter of a drying apparatus.<br />Within the scope of this work a cross flow moving bed dryer for low temperature drying of wood chips has been developed. In this dryer the drying air is injected horizontally at two opposed stages. The air flow inside this type of dryer is calculated with a simplified model for porous media and its drying behaviour is investigated with the help of the deep bed drying model. In order to be able to investigate parameters such as the dust content of the exhaust air of the dryer, which cannot be calculated with the existing models, a pilot plant dryer has been constructed. With this dryer about 40 kg of water per hour can be evaporated, which corresponds to a reduction of the moisture content from 40% to 20% at a biomass mass flow of 100 kg/h. Experiments carried out at the pilot plant dryer show that dust emissions below 1 mg/Nm³ are possible and a good drying result is obtained.<br />Finally an economic assessment for an implementation of a fuel dryer into the biomass gasification plant in Güssing/Austria is carried out.<br />The results show that the payback period for this dryer is less than two years. Consequently the implementation of a low temperature dryer is economically advantageous.