Untersuchungen zu den Scalingkriterien an einer Zweibett-Wirbelschicht-Vergasungsanlage

Abstract

In dieser Arbeit wurden Fluiddynamik und Scalingkriterien des neuen Zweibett-Wirbelschicht-Konzepts am Kaltmodell und der 100 kW-Versuchsanlage an der Technischen Universität Wien untersucht. Beim Kaltmodell konnte auf bestehende Daten zurückgegriffen werden. An der 100 kW-Versuchsanlage wurden Kaltversuche mit Luft durchgeführt. Als Bettmaterialien wurden Olivin und Quarzsand eingesetzt. Durch Aufzeichnung von Druckverlust-Geschwindigkeitsdiagrammen wurden die Lockerungsgeschwindigkeiten bestimmt. Die Druckprofile im stationären Betrieb bei Uc und Use im Verbrennungsreaktor wurden ermittelt. Der globale Feststoffumlauf wurde im oberen Siphon durch Aufstauen des zirkulierenden Bettmaterials und anschließendes Absaugen erfasst. Zum Vergleich wurden an der 100 kW-Versuchsanlage auch Vergasungsversuche bei hohen Temperaturen durchgeführt und die Druckprofile im stationären Betrieb aufgezeichnet. Dabei kamen Kalk, Olivin und Quarzsand als Bettmaterial zum Einsatz. Im Zuge der Vergasungsversuche wurde versucht den globalen Feststoffumlauf über Drucksensoren im oberen Siphon zu messen. Ergänzend wurden Siebanalysen der Bettmaterialien durchgeführt. Die Lockerungsgeschwindigkeiten deckten sich mit den Ergebnissen der Formel nach Grace. Bei Uc im Verbrennungsreaktor zeigten sich im oberen Vergasungsreaktor sehr niedrige Feststoffanteile in den Kammern. Bei Use im Verbrennungsreaktor wiesen die Kammern unter dem oberen Siphon hohe, die Kammern über dem oberen Siphon niedrige Feststoffanteile auf. Diese Verteilung zeigte sich auch bei den Vergasungsversuchen und am Kaltmodell. Die Ergebnisse der Umlaufmessung an der 100 kW-Versuchsanlage mittels Drucksensoren waren aufgrund eines Problems mit der Messdatenerfassung nicht reproduzierbar. Der globale Feststoffumlauf konnte aber bei Kaltversuchen durch Absaugen des akkumulierten Bettmaterials im oberen Siphon erfasst werden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen dem Druckgradienten im oberen Vergasungsreaktor und dem globalen Feststoffumlauf festgestellt werden. An den Daten der Kaltmodellversuche zeigte sich zudem, dass sich bei gleichem Umlauf trotz unterschiedlicher Korngrößen deckungsgleiche Druckprofile ergeben. Somit stellt die Berechnung des globalen Feststoffumlaufes über den Druckgradienten im oberen Verbrennungsreaktor eine vielversprechende Methode zur Umlaufmessung dar.

In this thesis the fluid dynamics and scaling criteria of the new dual fluidized bed concept were investigated. The 100 kW pilot plant at TU Wien and the corresponding cold flow model were considered. For the evaluation of the cold flow model existing data was used. Cold flow experiments with air were conducted at the 100 kW pilot plant. Olivine and silica sand were used as bed materials. The minimum fluidization velocities of the bed materials were determined by means of the pressure drop velocity graph. The pressure profiles in the plant were measured at a superficial velocity of Uc and Use in the combustion reactor. The global particle circulation rate was measured by accumulating the circulating bed material in the upper loop seal and subsequently extracting the accumulated bed material. In addition, gasification experiments at high temperatures with the 100 kW pilot plant were conducted. The pressure profiles of the steady-state operating points were logged. Limestone, olivine and silica sand were used as bed materials. During the gasification experiments a measurement of the global particle circulation rate using pressure sensors in the upper loop seal was tested. Moreover, sieve analyses of the bed materials were conducted. The minimum fluidization velocities matched with the results of the calculations using the constants recommended by Grace. At a superficial velocity of Uc in the combustion reactor low solid fractions could be observed in the chambers of the upper gasification reactor. At a superficial velocity of Use in the combustion reactor the chambers below the upper loop seal showed a high solid fraction, whereas the chambers above the upper loop seal showed low solid fractions. The gasification experiments and the cold flow model investigations also showed this type of distribution of bed material in the upper gasification reactor. The measurement of the global particle circulation rate using pressure sensors in the upper loop seal was not successful due to a problem with the measurement data logging. However, in the wake of the cold flow test runs the global particle circulation rate could be determined by extracting the accumulated bed material in the upper loop seal. A correlation between the pressure drop in the upper combustion reactor and the global particle circulation rate was found. Moreover, the evaluation of the cold flow model data yielded matching pressure profiles for test runs with the same global particle circulation rate despite differing particle sizes. Thus, calculating the global particle circulation rate via the pressure drop in the upper combustion reactor could be a viable way.