Asche - Bettmaterial - Interaktionen während thermischer Wirbelschichtumwandlungen von Rinde, Gülle und landwirtschaftlichen Abfällen

Abstract

Der Einsatz von erneuerbaren Energien bekommt aufgrund des steigenden Energiebedarfs und der internationalen Ziele zur Einsparung fossiler Brennstoffe, zur Reduktion von CO2-Emissionen und zum Klimaschutz immer größere Bedeutung. Biomasse kann als gespeicherte Sonnenenergie beschrieben werden und bietet eine gute Möglichkeit für die dezentrale Energieerzeugung aufgrund der vielseitigen Einsetzbarkeit als fester, flüssiger oder gasförmiger Energieträger zur Erzeugung von Wärme und Strom, aber auch von Kraftstoffen. Für biogene Festbrennstoffe spielen dabei die Wirbelschichtfeuerung und -vergasung eine wesentliche Rolle. Bei der Wirbelschichtverbrennung kommt meist ein inertes Bettmaterial zur Anwendung. Bei der Wirbelschichtvergasung wird allerdings vorwiegend ein katalytisch aktives Bettmaterial eingesetzt, um die primär gewünschten Vergasungsreaktionen zu fördern. Bei den Interaktionen zwischen Brennstoffasche und Bettmaterial bilden sich Schichten auf den Partikeloberflächen des Bettmaterials, die zur Defluidisierung aufgrund Agglomeration führen können, aber auch zu einer hohen katalytischen Aktivität bezüglich der Teerreduktion. Mit dieser Arbeit soll der Einfluss unterschiedlicher Parameter, wie die Brennstoffund Bettmaterialzusammensetzung, bei der thermochemischen Umwandlung auf die Agglomeration und Schichtbildung untersucht und untereinander verglichen werden. Dazu werden Proben des Bettmaterials einer Wirbelschichtfeuerung im Labormaßstab und einer Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasung analysiert. Die eingesetzten Brennstoffe sind Rinde und Stroh als Beispiele für Reststoffe der Papierindustrie und der landwirtschaftlichen Produktion, aber auch Hühnermist als Beispiel für tierische Biomasseabfälle sowie verschiedene Mischungen dieser. Als Bettmaterialien werden der kommerziell verwendete inerte Quarz, der katalytisch aktive Kalkstein und der in großen Mengen vorkommende Kalium-Feldspat, als alternatives Bettmaterial, analysiert. Die Proben der Bettmaterialien werden mit einem Rasterelektronenmikroskop und der energiedispersiven Röntgenspektroskopie analysiert. Die daraus resultierenden Ergebnisse dienen als Grundlage um Mechanismen bezüglich Agglomeration und Schichtbildung festzustellen bzw. die bereits vorhandene Literatur zu bestätigen. Die Schichtbildungstendenz der Bettmaterialien ist im Vergleich bei Quarz am größten, gefolgt von Kalium-Feldspat und Kalziumoxid. Durch den Einsatz von Kalziumoxid als zusätzliches Bettmaterial kann die Schichtbildung auf Quarzund Kalium-Feldspatpartikeln gefördert werden. Die Schichten der Quarzund Kalium-Feldspatpartikel werden von Silizium, Kalzium, Kalium und Aluminium dominiert und können in eine innere und äußere Schicht unterschieden werden. Als erster Schritt der Schichtbildung auf Quarz haften geschmolzene Kaliumsilikate an der Partikeloberfläche. Anschließend diffundieren Kalzium-Verbindungen in die Schmelze. Dies deckt sich mit vorhandener Literatur. Die Schichtbildungsmechanismen auf Kalium-Feldspat konnten durch den Einsatz von phosphorreichen Brennstoffen allerdings nicht mit bereits vorhandener Literatur für Holz und holzartige Biomasse bestätigt werden. Die Schichtbildung auf Kalziumoxidpartikeln wird durch die Wechselwirkung von Kalzium und Magnesium dominiert. Geringe Veränderungen der Brennstoffzusammensetzung, des theoretischen Aschegehaltes und der Prozesszeit zeigen keinen Einfluss auf die Elementarzusammensetzung der Schichten. Agglomerationen von Kalium-Feldspatpartikel untereinander zeigen im Agglomerationsbereich und den Schichten auf den Partikeln die gleiche Elementarzusammensetzung, dominiert von Silizium, Kalzium, Phosphor, Kalium und Aluminium. Dies deutet auf eine schichtinduzierte Agglomeration hin. Agglomeration von Kalziumoxidpartikel hingegen konnte nicht nachgewiesen werden. Bei der Verbrennung von phosphorreichen Brennstoffen, wie Hühnermist, konnten auch signifikante Mengen an Phosphor festgestellt werden. Ist eine Unterscheidung in eine innere und äußere Schicht möglich, wird Phosphor vor allem in der äußeren Schicht nachgewiesen und kann durch bereits vorhandene Literatur für Quarz bestätigt werden.

The use of renewable energy is becoming more important due to an increasing energy demand and international goals. Renewable energy plays an important role in substituting fossil fuels, reducing greenhouse gas emissions and protecting the climate. Biomass can be considered as organic matter, in which the energy of sunlight is stored in chemical bonds. It can be used as a solid, liquid or gaseous source of energy for the production of heat, electricity and fuels. Therefore biomass offers a good opportunity for decentralized energy generation. Especially technologies based on fluidized bed combustion and gasification play an important role for biogenic solid feedstocks. An inert bed material is normally used for fluidized bed combustion. On the other hand, to promote the primarily desired gasification reactions in fluidized bed gasification, a catalytic active bed material is used. Interactions between biomass ash and bed material leading to layer formation on the surface of bed particles used both in fluidized bed combustion and gasification can have different consequences on the process. Layer formation can lead to defluidization due to agglomeration but also to a high catalytic activity towards tar reduction. The aim of this thesis is to analyse and compare the influence of different parameters, such as feedstock and bed material composition, in thermochemical conversion processes on agglomeration and layer formation mechanisms. Therefore bed material samples from a bench-scale fluidized bed combustion reactor and from a dual fluidized bed steam gasification reactor after thermochemical conversion processes are analysed. The investigated feedstocks are bark, straw, chicken manure and mixtures of those. These feedstocks are examples of residues from paper industry and agricultural production and animal biomass waste. The bed material types studied are the commercially used inert quartz, the catalytic active limestone and the alternative potassium feldspar. The bed material samples were analysed via scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. The results of the analyses serve as a basis for identifying the mechanisms of agglomeration and layer formation and for confirming theoretical concepts. The observed tendency for layer formation is highest in quartz, followed by potassium feldspar and lime. Layer formation on quartz and potassium feldspar can be promoted through the use of lime as additional bed material. The layers are partly distinguishable into an inner and outer layer with dominance of silicon, calcium, potassium and aluminium. The initial layer formation on quartz is taking place due to molten ash of potassium silicates, where calcium is diffusing into the grain surface. This can be confirmed with existing literature. However, identified layer formation on potassium feldspar using phosphorus-rich feedstocks can not be explained by existing wood and woody biomass literature. Layer formation on lime is dominated by the interaction of calcium and magnesium. Slight modifications in feedstock composition, theoretical ash content and process time had no effects on the elemental composition of the layers. Detected agglomeration phenomena, when using potassium feldspar bed material, indicate a coating induced agglomeration. Layers and agglomeration regions have the same elemental composition with dominance of silicon, calcium, phosphorus, potassium and aluminium. Agglomeration for lime could not be detected. The phosphorus stemming from phosphorus-rich feedstocks, such as chicken manure, was found in the layers. This phosphorus was mainly detected in the outer layer if the layers are distinguishable into an inner and outer layer. This observation was confirmed with existing literature for quartz.