Untersuchung der Bildungsmechanismen von Agglomeratenkörper im Bettmaterial eines Biomasse-Wirbelschichtkessels

Abstract

Die Arbeit wurde durch das Auftreten von Agglomerationen im Kessel eines mit reiner Biomasse gefeuerten zirkulierenden Wirbelschichtkesels eines Kraftwerkes angeregt. Zur Entstehung und den Möglichkeiten der Vermeidung der Agglomeraten lagen nur wenige fundierte Erkenntnisse, jedoch viele Spekulationen vor. Die chemische Analytik war zur Abdeckung der Belange der Umweltschutzgesetzgebung ausgerichtet, jedoch nicht als umfassende Prozessbegleitung. Als Brennstoff wurde und wird unverfälscht reines Holz eingesetzt. Dies bedeutet aber, dass nicht nur Zellulose und Lignin, sondern die holzartigen Pflanzen gesamthaft geschreddert und verbrannt werden! Aus gezogenen Proben wurden jene ausgewählt die von einer glasartigen, adhäsiven Schichte massiv überzogen und durchtränkt waren. Weiters wurden Kavernen in den Probekörpern entdeckt, die ebenfalls mit dieser Schicht ausgekleidet sind, aber schwarz gefärbt waren. Zur methodischen Untersuchung wurden die Stoffströme um den Kessel erstellt und bilanziert . Es wurden die Analysen aller Stoffe erfasst und beurteilt. Damit konnte gezeigt werden, dass sich der Prozess kontinuierlich durch Erst- und Nachdotierung von Sand und Brennstoff selbst mit Fremdstoffen versorgt. Nun konnte in Kenntnis der Fremdstoffe postuliert werden, dass Reaktionen vom Bettsand mit den anderen Störstoffen und Verunreinigungen formal zur Bildung von Schmelzen mit geringem Schmelzpunkt führen kann. Die gefundene amorphe Form ist nur durch ausreichende rasche Abkühlung im Kesselinneren möglich. Es konnte keine kristalline Form festgestellt werden. Dass es sich um Schmelzen (analog zur Eutectic) handelt ergibt sich aus der Tatsche, dass der Schmelzpunkt der gefundenen Schmelzprodukte im Betriebstemperaturbereich des Kessels liegen muß. Weitere Ergebnisse erbrachten die kristallografische Analyse, DTA und EDX Aufnahmen. Es wird das SiO2 im Zuge des Verbrennungsprozesses zu beta-Cristobalit umgewandelt. Bei absinkender Temperatur vollzieht sich die weitere Umwandlung in alpha-Cristobalit. Zeitgleich entsteht bei Kesseltemperaturen eine Si-reiche Schmelze. Diese wird durch das Vorhandensein der Schadstoffbelastungen ermöglicht. Cristobalit entsteht somit während des Kesselbetriebes durch Umwandlung, durch Neukristallisation aus dem Quarzbett und, zu einem kleinen Teil, aus Abrieben der feuerfest Auskleidung. Dass die Schmelze amorph vorliegt zeigt, dass e seine äußerst rasche Abkühlung im Kessel geben muss. Das Fehlen von entglasungserscheinungen weist darauf hin, dass der Kesselzusammenbruch rasch nach Bildung der Agglomeraten erfolgt(keine mehrfache Aufheizung). Als Conclusio gilt, es ist alles zu tun ist um die als Verunreinigungen und Verschmutzungen auftretenden Reaktionspartner von der Brennkammer fernzuhalten. Das wäre primär durch Entrinden des Brenstoffes erreichbar, sowie durch den Einsatz von Reinsand hoher Qualität. Da das Kraftwerk den Brennstoff bezieht wären die Lieferanten dringend in den Prozess mit einzubeziehen. Ziel sollte es sein die Energieträger Cellulose und Lignin mit geringen Anteilen an Rinden, Borken u.ä. zu verbrennen.

The work was inspired by the appearance of agglomerations in the bedsand of a biomass-fired CFB boiler of a power plant. On the origin and the ways of avoiding the agglomerates few knowledge but many speculations were available. The chemical analysis was aimed to cover the interests of environmental protection legislation, but not as a comprehensive process support. Pure used wood is fired as fuel. However, this means that not only cellulose and lignin, but the woody plants are shredded and burned totally! The task now was the description of the phenomenon of agglomeration in its multiple manifestations. From samples those were selected which were massively covered and soaked in a glassy, adhesive layer. Furthermore, caverns were discovered in the specimens, which are also lined with this layer, but colored black. For methodological study the streams of substances were recorded around the boiler, analyzed and evaluated. So it could be demonstrated that the process continuously supplies itself by initial and subsequent doping of sand and fuel with foreign matters. Knowing now the foreign matters, it could be postulated that that the combination of bedsand and impurities lead to the formation of melts with low melting point. The found of the amorphous form only is possible through adequate rapid cooling inside the boiler. It could not befound any crystalline form. That this kind really is a molten phase (analogous to Eutectic) arises from the fact that the melting point of the melting products found must be in the operating temperature range of the boiler. More results provided the crystallographic analysis, DTA and EDX recordings. SiO2 is converted in the course of the combustion process to beta-cristobalite. At sinking temperature the further conversion into alpha-cristobalite occures. At the same time Si-rich melt arises at boiler temperatures. This is made possible by the presence of pollutants. Cristobalite thus arises during boiler operation by converting, through new crystallization of the quartz bed and, to a lesser extent, from abrasions of the refractory lining. That melt the amorphous form shows that an extremely rapid cooling must occur in the boiler. The absence of devitrification indicates that the boiler breakdown rapidly after the formation of agglomerates occurs (no multiple reheating). As Conclusion can be said that all is to be done to avoid impurities and contaminants as parts of the burnig process. That would be primarily through the debarking of the fuel and the use of clean sand quality. The fuel suppliers should strongly be involved in the process. The aim should be the energy source of cellulose and lignin only with small amounts of bark, phloem and green parts of the plant.