Titel:

Entwicklung effizienter Verbrennungstechnik zur Kompensation schwankender Brennstofffeuchten in Hackschnitzelfeuerungen kleiner und mittlerer Leistung

Forschungsstelle:

Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik (LEAT)

AiF – Fördernummer: 19116 N

Laufzeit: 01.03.2019 – 31.08.2021

Kurzfassung:

Hinsichtlich der Brennstoffeigenschaften unterliegen Hackschnitzel aufgrund der aus ökonomischer Sicht notwendigen fehlenden Brennstoffaufbereitung großen Schwankungen. Dabei stellen insbesondere die Unterschiede im Feuchtegehalt (5%-60%) und bei den geometrischen Abmessungen der einzelnen Hackschnitzel hohe Ansprüche an die einzusetzende Feuerungstechnik. Die Normung nach EN ISO 17225-4 sieht hier lediglich eine grobe Einteilung in Größenklassen mit statistischer Verteilung der jeweils längsten Abmessungen und des maximalen Wassergehaltes vor. So sind Feuerungsanlagen im kleinen bis mittleren Leistungsbereich (<200 KW) auf vergleichsweise teure Qualitätsstufen (P16-P45, M10-M35) beschränkt und darauf ausgelegt. Auch innerhalb der jeweiligen Qualitätsstufen ist eine große Bandbreite an unterschiedlichen Brennstoffeigenschaften vorhanden, was die Effizienz der Verbrennungsführung mindert. Während eine gezielte Schürung in großtechnischen Anlagen bereits erfolgreich für die Verbrennung grob gefasster Qualitätsstufen eingesetzt wird, bleibt diese wichtige Steuergröße im dezentralen Leistungssegment oft unberücksichtigt. Ein Grund dafür sind vor allem die messtechnisch schwer zugänglichen Bereiche zur Erfassung der tatsächlichen Schürwirkung und deren Interaktion mit dem Verbrennungsprozess.

In einem neuen Projekt soll daher eine Strategie zur Kompensation der schwankenden Brennstoffqualitäten handelsüblicher Hackschnitzelsorten über eine gezielte Schürung des Brennbettes entwickelt werden. Dazu sollen sowohl experimentelle Methoden als auch hochaufgelöste Simulationen eingesetzt werden. Da Hackschnitzel sich teilweise von Objekt zu Objekt unterscheiden müssen diese zunächst für ausgewählte Qualitätsstufen individuell hinsichtlich Ihrer geometrischen und thermochemischen Eigenschaften detailliert charakterisiert werden. Die unregelmäßige, komplexe Geometrie der einzelnen Hackschnitzel soll mit Hilfe eines 3D-Laser Scanners realitätsnah erfasst werden. Dies ermöglicht dann eine bisher nicht verfügbare Abbildungsgüte der mechanischen Prozesse in bewegten Hackschnitzelschüttungen in der Simulation. Da sich sowohl die mechanischen als auch thermochemischen Eigenschaften während der Feststoffkonversion ändern, sollen diese Daten zeitaufgelöst bestimmt werden. Dazu werden die einzelnen Hackschnitzel in einem Einzelpartikelreaktor umgewandelt, wobei der Konversionsprozess dabei zu definierten Zeitpunkten durch schlagartige Kühlung mit flüssigem Stickstoff abgebrochen wird. Die teilreagierten Hackschnitzel werden dann im Labor analysiert (3D-Scan, Bruchfestigkeit, Kurzanalyse, Heizwert, Elementaranalyse). Dies ermöglicht dann den Einsatz von hochaufgelösten gekoppelten DEM/CFD Simulationen, in denen sowohl der Feststoff als auch die Gasphase und die Interaktion der beiden Phasen berechnet werden kann. Neben den numerischen Untersuchungen werden auch Experimente zum Einfluss der Schürung auf den Ausbrand von Hackschnitzeln unterschiedlicher Feuchte und Größenklassen in einem zu diesem Zweck konzipierten Versuchsstand durchgeführt. Dazu wird ein neues Konzept zur Online-Messung des Wassergehaltes im Abgas und dessen Zusammenwirkung mit der Schürung und der Brennstofffeuchte erprobt und für den Einsatz in der Praxis vorbereitet.

Für das geplante Vorhaben werden Unternehmen (vorzugsweise KMUs) gesucht, die Interesse an einer Teilnahme am projektbegleitenden Ausschuss haben. Mit dem projektbegleitenden Ausschuss werden halbjährlich – jährlich die aktuellen Untersuchungsergebnisse diskutiert, sodass die Ausschussmitglieder die Möglichkeit erhalten den Projektverlauf mitzugestalten und damit auch einen direkten Zugriff auf die Ergebnisse erhalten. Die Teilnahme an den jeweiligen Treffen ist erwünscht, aber nicht verpflichtend. Des Weiteren ist, bis auf die Kosten durch die jeweilige Anreise, kein finanzieller Beitrag durch die Ausschussmitglieder zu erbringen.