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Zirkulierende Wirbelschichtfeuerung

Um den Einfluss der Betriebsbedingungen und der Brennstoffeigenschaften auf die Bildung von Schadgasen in der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung zu untersuchen, steht am Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik eine Technikumanlage mit einer thermischen Leistung von 100 kW zur Verfügung.


Das Kernstück der Versuchsanlage bildet die aus drei übereinander angeordneten Segmenten bestehende Wirbelschichtbrennkammer. Die Brennkammerhülle besteht aus einem Stahlrohr mit einer Nennweite von 700 mm, das mit einer dreischichtigen Auskleidung aus abriebfestem Feuerfestbeton und Isoliersteinen ausgestattet ist. Die Brennkammer ist im untersten Segment konisch gestaltet, damit im Bereich der höchsten Partikelkonzentrationen eine gleichmäßige Fluidisierung sichergestellt ist. Sie weitet sich von einem lichten Anfangsdurchmesser von 200 mm auf 300 mm. Dieser Durchmesser bleibt in dem sich anschließenden zylindrischen Teil der Brennkammer konstant. Den unteren Abschluss der Brennkammer bildet ein Düsenboden mit sechs kreisförmig angeordneten Düsenköpfen, über die insgesamt 90 m3N/h Luft oder rezirkuliertes Rauchgas zur Fluidisierung des Bettmaterials zugeführt werden können. Jeder Düsenkopf ist auf ein Luftzufuhrrohr aufgeschraubt und bildet mit diesem eine Umlenkung nach Art eines Siphons, die das Zurückrieseln von Bettmaterial in den unter dem Düsenboden angebrachten Luftkasten verhindert. Die Gesamthöhe der Brennkammer mit Abschlussdeckel und Luftkasten beträgt rund 6 m. Die Gasgeschwindigkeiten liegen in der Brennkammer zwischen 1,8 m/s und 2,5 m/s, so dass Verweilzeiten bis zu 3 s realisiert werden können. Um die Bedingungen einer zirkulierenden Wirbelschicht zu simulieren wird als Bettmaterial gemahlener Quarzsand mit einem d50 von 65 µm verwendet.


Der Zyklon zur Abscheidung der aus der Brennkammer ausgetragenen Feststoffpartikel ist über einen Kompensator an den Brennkammeraustritt angeflanscht. Das Fallrohr des Zyklons schließt an einen Siphon an, der das abgeschiedene Bettmaterial aufstaut und auf diese Weise Kurzschlussströmungen der Fluidisierungsluft von der Brennkammer durch das Zyklonfallrohr und den Zyklon zur Abgasleitung verhindert. Am Siphonboden befinden sich zwei Förderluftdüsen, die den gleichmäßigen Rücklauf des von dem Zyklon kommenden Bettmaterials in die Brennkammer gewährleisten. Der Siphonaustritt und der untere Bereich der Brennkammer sind durch eine ausgemauerte Schurre miteinander verbunden. Die Zuführung der Betriebsstoffe Kohle, Quarzsand und Kalk erfolgt mit Hilfe von Dosierschnecken über ein gemeinsames Fallrohr gravimetrisch direkt in die Schurre. Das Fallrohr wird dabei mit Sperrluft beaufschlagt, um ein Zurückströmen heißer Brüden aus der Brennkammer in die Betriebsstoffbunker zu verhindern. Zusätzlich wurde ein Dosiersystem integriert, mit dem es möglich ist, schwer zu dosierende Materialien wie Textilabfälle der Brennkammer zuzuführen. Die Besonderheit dieses System ist ein Auflockerer, der das Material der Dosierschnecke zuführt. In Abhängigkeit von den Materialeigenschaften kann der Auflockerertyp (z.B. Stachelwalze, Blattrührer etc.) variiert werden. Für die Dosierung von flüssigen Brennstoffen wie z.B. Schweröl ist die Anlage mit einem beheizbaren Tank und einer Eindüsungslanze ausgerüstet. Die Dosierung und Messung des Massenstroms erfolgt über eine Zahnradpumpe und einen Massendurchflussmesser.


Die Wärmeabfuhr erfolgt durch zwei Haarnadel-Kühlrohre, die in die Brennkammer und in den Siphon eingetaucht sind. Die gewünschte Brennkammertemperatur kann durch Variation der Kühlleistung mittels Änderung der Eintauchtiefe der Haarnadeln eingestellt werden. Hierdurch ist gewährleistet, daß der Brennstoffmassenstrom und der Fluidisierungszustand bei entsprechenden Versuchsreihen mit Variation der Brennkammertemperatur konstant gehalten werden können. Die Aufheizung und das Warmhalten der Brennkammer erfolgt über einen Erdgaszündbrenner, welcher im unteren Teil der Brennkammer angeflanscht ist und direkt in den Feuerraum brennt.


Das Rauchgas wird, nachdem im Zyklon die Feststoffpartikel abgeschieden worden sind, in einem konventionellen Wärmetauscher abgekühlt. In dem sich anschließenden Schlauchfilter wird die mitgerissene Flugasche entfernt.


Die Zuführung von Primärluft, Stufenluft und rezirkuliertem Rauchgas erfolgt jeweils über ein separates Gebläse und einen eigenen Gasvorwärmer. Die Gasvorwärmer ermöglichen eine Vorwärmung der Luft bzw. des rezirkulierten Abgases auf bis zu 430 °C. Hierüber können die lokalen Verbrennungstemperaturen in der Brennkammer beeinflusst werden. Die Sekundärluft kann der Brennkammer auf fünf verschiedenen Ebenen getrennt mengengeregelt zugeführt werden, um so die Verweilzeiten in unterschiedlichen Reaktionszonen zu variieren. Aus der Abbildung ist die Anordnung der fünf Anschlüsse zur Eindüsung der Sekundärluft zu sehen. Durch das Zumischen von rezirkuliertem Rauchgas, das nach dem Filter über ein Gebläse angesaugt wird, können unterstöchiometrische Bedingungen in der Primärzone eingestellt werden, ohne die Brennstoffmenge und die Fluidisierungsbedingungen zu verändern.


Zur Entnahme der Rauchgasproben sind entlang der Brennkammer 19 Messöffnungen verteilt. Alle Messstutzen sind über Kugelhähne verschließbar. Oberhalb des Zyklons ist eine weitere Rauchgasentnahmeöffnung angebracht, um während des Versuchsbetriebs kontinuierlich die Endkonzentrationen der Rauchgaskomponenten zu messen. Somit kann gewährleistet werden, dass die Anlage in einem stationären Zustand betrieben wird. Mit Hilfe der Rauchgasanalytik können die Gaskonzentrationen der Stoffe O2, CO2, CO, CXHY, H2, SO2, NOX, N2O und NH3 über die gesamte Brennkammerhöhe gemessen werden. Zur Messung der einzelnen Gaskomponenten wird mittels einer mit Pressluft gekühlten Sonde über eine der neunzehn Messöffnungen Rauchgas abgezogen. Am Ende der Sonde sorgt ein Minizyklon für eine weitestgehende Trennung des Probennahmegases vom mitgeführten Bettmaterial. Den weiteren Weg des Messgases über verschiedene Filter und Kühler zu den Analysatoren zeigt das Verfahrensschaubild der Rauchgasanalytik.


Technische Daten zur Wirbelschicht


Thermische Leistung:

100kW


Abmaße:

Brennkammerhöhe mit Luftkasten: 6100 mm
Brennkammeraußendurchmesser: 700 mm
Brennkammerinnendurchmesser: 200 mm konisch auf 300 mm


Volumenströme:

Siphonluft: 10 m³N/h (Förderluft)
Primärluft: 80 m³N/h
Sekundärluft: in Abhängigkeit von der Gesamtluftzahl
Leerrohrgeschwindigkeiten: 1,8-2,5 m/s
=> Verweilzeiten: 2,2-3,0 s


Temperaturen:

Brennkammertemperaturen: bis 1000 °C
Luft- oder Abgasvorwärmtemperatur: 430 °C


Feuerungstechnische Parameter


Zur Minimierung der Schadstoffemissionen bei Verbrennungsversuchen bietet die Anlage eine große Anzahl unabhängig voneinander veränderbarer feuerungstechnischer Parameter. Im einzelnen können folgende Parameter variiert werden:

  • Die Sekundärluft kann an fünf verschiedenen Ausbrandluftöffnungen zugegeben werden, um die Verweilzeit in bestimmten Reaktionszonen zu verändern.
  • Das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärluft wird variiert, um verschiedene Gesamtluftzahlen einzustellen.
  • Rezirkuliertes Abgas kann zugemischt werden, um unterstöchiometrische Luftzahlen in der Primärzone einzustellen, ohne den Fluidisierungszustand des Bettmaterials in der Brennkammer zu verändern.
  • Die Brennkammertemperatur wird durch Variation der Kühlleistung mittels Änderung der Eintauchtiefe der Kühlrohre geregelt, um Veränderungen am Brennstoffmassenstrom und am Fluidisierungszustand zu vermeiden.
  • Die lokalen Brennkammertemperaturen können durch Variation der Luft- oder Abgasvorwärmung verändert werden.