Hochtemperaturreaktor nach dem Prinzip der Zirkulierenden Wirbelschichten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Als zentrale Versuchseinheit zur Oxyfuel-Forschung (Oxidationsmittel ist reiner Sauerstoff) bei der Verbrennung von Kohle mit anschließender Abtrennung von CO2 (CCS) wurde der Hochtemperaturreaktor nach dem Prinzip der Zirkulierenden Wirbelschicht genutzt. Die zirkulierende Wirbelschicht ist neben der traditionellen Konfektionierung mit dem Oxidationsmittel Luft für einen Betrieb im Oxyfuelprozess, also mit reinem Sauerstoff vorgesehen. Das bedeutet, dass das Oxydationsmittel als Neuerung gegenüber bestehenden Anlagen im Betrieb gewechselt werden kann. Die Wirbelschicht ordnet sich perfekt in die Anlagenkonstellation des Zentrums für Energietechnik (ZET) an der TU Dresden ein und nutzt die Infrastruktur in Form von Medienbezug und Einspeisung. Als Beispiel sei hier die Sauerstoffversorgung erwähnt und die Einbindung von (Ab-)wärme in das Wärmeversorgungsnetz des ZET und damit der Universität. Eine weitere vorhandene Besonderheit der Versuchsanlage ist die Rauchgasrückführung zur Kühlung der Wirbelschicht. Dabei konnten in einem Bereich von 40 – 80 % die entstandenen Rauchgase verfahrensbedingt in das System zurückgeführt werden. Als Hauptschwerpunkt der Forschung galt die generelle Machbarkeit der Übertragung des Oxyfuelprozesses von der Staubfeuerung auf eine Wirbelschicht. Danach sollten eventuelle wirkungsgradsteigernde Potenziale als Vorteil der Wirbelschichttechnik ausgearbeitet werden. Wichtige Einzelschritte waren dabei: die Einstellung der Reaktortemperatur; die Optimierung der Rauchgasrezirkulation; Bettumlaufuntersuchungen; Abbrand und Emissionsverhalten; das Entschwefelungsverhalten; die Oxidationsmittelstufung. Weitere Forschungsergebnisse konnten bei dem Einsatz von erneuerbaren Energieträgern in Form der Biomassenutzung mit dem Projekt zur Brennstoffvariation und Mitverbrennung erzielt werden. Die Absicht, Aussagen über die Brennstoffflexibilität bestehender Anlagen zu ermitteln, wurde erreicht. In unterschiedlichen Verfahren, unter anderen auch die Wirbelschicht, wurden neben dem Referenzbrennstoff Naturholzhackschnitzel alternative Brennstoffe, wie z. B. Switchgras, Getreidereststoffe, KUP (Pappelholz) oder Gärreste eingesetzt. Anhand der experimentell ermittelten Ergebnisse konnten Aussagen zum Betriebsverhalten mit Hilfe der im Forschungsantrag definierten Kriterien getroffen werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Anlage hinsichtlich des Schwankungsbereiches der brennstofftechnischen Eigenschaften eine hohe Brennstoffflexibilität besitzt. Die Brennstoffflexibilität von Staubfeuerungen wird wesentlich durch die Partikelgröße der Einsatzstoffe limitiert. Die Wirbelschichtverbrennung bietet verschiedene verfahrenstechnische Maßnahmen, um das thermochemische Verhalten zu optimieren. So können bei der thermochemischen Konversion zur Minimierung des Verschlackungsrisikos Additive wie z. B. Kalk eingesetzt werden. Darüber hinaus kann durch eine gezielte Luft- und/oder Brennstoffstufung bei der Verbrennung eine primärseitige Beeinflussung der NOx-Emissionen erfolgen. Zusätzlich wurde der Wirbelschichtreaktor für den Test von keramischen Heatpipes genutzt. Hierbei wurden die Wärmeübertrager direkt in den Siphon integriert und eine Wärmeauskopplung im Hochtemperaturbereich in einer Feststoffschüttung getestet. In Vorbereitung für die Untersuchungen an der ZWSF der Professur VWS wurden mehrere Konstruktionsentwürfe für die Anbindung von Wärmerohren an verschiedene Zonen der Anlage erstellt. Die Einbindung von Wärmerohren bzw. Ausführungen als Thermosiphon an zwei Stellen im Testmodul Wirbelschicht erfolgte am sog. Fließbettkühler. Für die Anbindung der keramischen Wärmerohre an metallische Bauteile wurde eine Lösung mittels einer Stopfbuchskonstruktion gewählt, welche durch einen duktilen Werkstoff für die Stopfbuchspackung nur geringe Spannungen auf den Wärmerohrmantel ausübt. Scharfkantige Übergänge in Form von Kerben oder Formsprüngen werden auf der Keramik vermieden. Weiterhin wurde die Keramik des Wärmeübertragers des WÜ in verschiedenen Atmosphären getestet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Behavior of sulfur during circulating fluidized bed oxyfuel combustion. 3rd Oxyfuel Combustion Conference, Ponferrada, Spain, 2013
Čech, M.; Hiller, A.; Beckmann, M.
- Weiterentwicklung und Untersuchung des Oxyfuel-Prozesses mit zirkulierender Wirbelschicht Feuerung auf Realisierbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Abschlussbericht Teilprojekt 3 BMWi. Ein Forschungsvorhaben des COORETEC-Programms ADECOS ZWSF 2013
A. Hiller; Miroslav Čech
- Steigerung der Brennstoffflexibilität in Wirbelschichtfeuerungen durch den Einsatz biogener Festbrennstoffe. Beckmann, M.; Hurtado, A.: Kraftwerkstechnik 2014 - Strategien, Anlagentechnik und Betrieb. Freiberg: SAXONIA Standortentwicklungs- und -verwaltungsgesellschaft mbH, 2014, S. 637-646. ISBN 978-3-934409-62-0
Bernhardt, D.; Böhning, D.; Čech, M.; Gebauer, K.; Beckmann, M.
- Experimental investigations into combustion behaviour of biomasses at single particle scale and in a 300 kW circulating fluidized bed with special focus on NO formation. Proceedings of the 22nd conference on fluidized bed conversion. 14.-17.06.2015, Turku (FIN)
Bernhardt, D.; Böhning, D.; Beckmann, M.; Karlström, O.; Brink, A.
- Experimentelle Untersuchungen zum Verbrennungsverhalten fester Biobrennstoffe am Einzelpartikel und in einer 300 kW zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung unter besonderer Berücksichtigung der NOBildung. Tagungsband 27. Deutscher Flammentag, 14.-17.09.2015, Clausthal-Zellerfeld
Bernhardt, D.; Beckmann, M.; Karlström, O.; Brink, A.
