793453 20230411161154.0 HBZ HT020519387 Laufende Nummer 39682 datacite_doi 10.18154/RWTH-2020-06934 RWTH-2020-06934 German 620 P:(DE-588)121325177X Schenke, Lukas 0 rwth Entwicklung eines Kugelrosts zur Verbrennung von Biomassepellets aus Weizenstroh in Kleinfeuerungsanlagen vorgelegt von Lukas Schenke, M.Sc. online Development of a ball grate system for the combustion of biomass pellets from wheat strawin small-scale furnaces English Aachen 2020 1 Online-Ressource (141 Seiten) : Illustrationen, Diagramme 2 EndNote Thesis PUB:(DE-HGF)11 PUB:(DE-HGF) Dissertation / PhD Thesis phd phd BibTeX PHDTHESIS DRIVER doctoralThesis DataCite Output Types/Dissertation ORCID DISSERTATION Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020 Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen 2020 Fak05 2020-06-25 Die energetische Nutzung von Biomasse stellt einen wichtigen Baustein der Energiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien dar. Ein erhebliches energetisches Nutzungspotenzial des landwirtschaftlich anfallendem Erntenebenprodukts Getreidestroh bleibt derzeit in der Bundesrepublik Deutschland ungenutzt. Allerdings fällt Getreidestroh regional in sehr unterschiedlichen Mengen an, wovon aufgrund konkurrierender Nutzungspfade variierende Strohmassen für die energetische Verwertung zur Verfügung stehen. Um große Transportentfernungen zu vermeiden, bietet sich eine dezentrale energetische Verwertung in Kleinfeuerungsanlagen an. Dabei stellt die Verbrennung von Stroh die Anlagentechnik zum Teil vor große Herausforderungen. Im Brennstoff enthaltene chemische Elemente, wie bspw. Kalium, sorgen für niedrige Ascheerweichungstemperaturen. Bei üblichen Verbrennungstemperaturen schmilzt oder versintert die Asche, was in Anlagenstörungen und -stillständen resultiert. Durch das Auswaschen des Strohs mit Wasser (Laugung) können solche problematischen Inhaltsstoffe reduziert werden. In Kombination mit Additiven, welche dem Stroh während der Pelletierung zugegeben werden, lässt sich die Ascheerweichung weitestgehend verhindern. Ein Sintern der Asche kann jedoch nicht vollständig vermieden werden, weshalb die Pelletasche ohne Brennbettbewegung bzw. -schürung als Aschekörper in geometrischer Pelletform bestehen bleibt und nicht durch vorgesehenen Rostschlitze abtransportiert werden kann. An dieser Problematik setzte diese Arbeit an, indem ein kontinuierlich angetriebenes Kugelrostsystem zur Bewegung des Brennbetts bzw. der Pelletasche entwickelt wurde. In einer Abwurffeuerung mit Brennertopf und einer starren mit Rostschlitzen versehenen Rostplatte wurde ein Rührer auf der Rostplatte integriert. Auf dem Rührer bzw. der Rostplatte wurden Kugeln aufgeschüttet. Der Rührer bewirkt eine Kugelbewegung und somit eine moderate Brennbettbewegung, wodurch die Asche langsam durch die Kugelschüttung sinkt, teilweise zerkleinert und mithilfe des Rührers durch Rostschlitze abtransportiert wird. In Kaltversuchen wurde zunächst das grundsätzliche Prinzip des entwickelten Kugelrostsystems getestet. Wie zu erwarten wurden die Strohpellets durch die bewegte Kugelschüttung in tiefere Schichten der Schüttung transportiert. Aufgrund der Kaltversuche konnten bereits die besonders relevanten Einflussparameter Rührerdrehzahl und Kugeldurchmesser als Startparameter der Verbrennungsversuche abgeschätzt werden. In einer Abwurffeuerung mit einer Nennwärmeleistung von 65 kW erfolgten die Verbrennungsversuche mit dem integrierten Kugelrostsystem. Ziel war die Untersuchung der Einflüsse von Rührer-drehzahl, Kugeldurchmesser, Kugelmaterial und Schüttungshöhe auf die Funktionalität und Effektivität des Systems. Dazu wurden während der Versuche Temperaturen, Luftmassenströme und Abgaskonzentrationen kontinuierlich erfasst. Nach den Versuchen konnte der Verbleib von Asche im Brennertopf gravimetrisch erfasst, die Kugeln und das Rostsystem auf materialbedingte Veränderung untersucht und die abtransportierte Asche bzgl. des Glühverlusts als Maß für den Ascheausbrand analysiert werden. Als Versuchsmaterial wurde Weizenstroh verwendet und nach der Ernte gelaugt, getrocknet und unter der Zugabe von Kalkhydrat als Additiv pelletiert. In ersten Versuchen ohne Kugeln und mit einer einzigen Kugelschicht musste eine zu große Temperaturbelastung des Rührers festgestellt werden. Die Welle des Rührers verformte sich, wodurch das System blockierte. Eine mehrlagige Schüttungshöhe von 60 mm sorgte für eine ausreichende Wärmeabschirmung des Rührers vom Brennbett. Als am besten geeignetes Kugelmaterial wurde V2A-Edelstahl ermittelt. Andere Materialarten waren anfällig gegenüber Korrosion, Temperatur oder Anhaftungen aufgrund einer zu rauen Oberfläche. Hohe Drehzahlen von 4,82 min-1 resultierten in zu hohen Kohlenmonoxidemissionen, welche den gesetzlichen Grenzwert von 400 mg/m3 zum Teil deutlich überschritten. Als geeignetste Parameter wurden letztlich eine Rührerdrehzahl von 0,84 min-1, eine Schüttungshöhe von ca. 60 mm mit V2A-Edelstahlkugeln bei einem Durchmesser von 15 mm und einer Primärluftlambda zwischen 0,7 und 0,8 ermittelt. Mit diesen Parametern wurde ein Langzeitversuch, bestehend aus fünf separaten Einzelversuchen, durchgeführt. Nach den Versuchen ergaben sich hochunterschiedliche Ergebnisse hinsichtlich des Ascheabtransports aus dem Brennertopf. Bei drei der fünf Versuche wurde jegliche Asche nahezu vollständig abtransportiert und es waren keine Anhaftung oder Anbackungen an den Kugeln erkennbar. Bei zwei Versuchen verblieben jedoch 12 % bzw. 3 % der Aschengesamtmasse im Brennertopf als Ascheagglomerate und Anbackungen an den Kugeln. Die sonstigen Bewertungskriterien Emissionen und Glühverlust der Aschen waren bei allen fünf Versuchen ähnlich und auf einem geringen Niveau. Die durchschnittlichen Kohlenmonoxid-, Staub- und Stickoxid-Konzentrationen betrugen 35,7 mg/m3, 26,3 mg/m3 und 245 mg/m3 (bezogen auf das trockene Normvolumen bei 13 % Bezugssauerstoff). Der durchschnittliche Glühverlust der Aschen betrug 3,1 %. Zum Vergleich wurden in einer kommerziellen Wanderrostfeuerung Verbrennungsversuche durchgeführt. Die Asche konnte durch den Wanderrost kontinuierlich und ohne Anlagenstörung abtransportiert werden. Emissionen und Glühverlust der Asche waren vergleichbar zu den Versuchen mit dem Kugelrostsystem. Die Werte der durchschnittlichen Kohlenmonoxid-, Staub- und Stickoxid-Konzentrationen lagen bei 49,3 mg/m3, 16,6 mg/m3 und 246,2 mg/m3 und der Glühverlust betrug maximal 3,3 %. Es konnte gezeigt werden, dass mit der deutlich einfacheren und ökonomischeren Anlagentechnik des Kugelrostsystems im Vergleich zum Wanderrostsystem ein kontinuierlicher Verbrennungsprozess grundsätzlich möglich ist. Allerdings konnte aufgrund der gelegentlichen Bildung von Ascheagglomeraten kein zuverlässiges System entwickelt werden. Durch mögliche weitere Untersuchungen der Versuchsparameter ist ein zuverlässiger kontinuierlicher Betrieb in einer Kugelrostfeuerung jedoch denkbar. Sollte dieser Entwicklungsschritt gelingen, stellt das Kugelrostsystem eine technische und insbesondere wirtschaftliche Alternative zur Verbrennung von behandelten Stroh-pellets (gelaugt und additiviert) in Kleinfeuerungsanlagen dar. ger The energetic use of biomass is an important component of the energy supply from renewable energies. A considerable energetic utilization potential of agricultural grain straw currently remains unused in the Federal Republic of Germany. However, grain straw is produced regionally in very different quantities, of which varying straw masses are available for energetic utilization due to competing utilization paths. In order to avoid long transport distances, decentralized energetic utilization in small-scale furnaces is an option. The incineration of straw poses great challenges for the plant technology. Chemical elements contained in the fuel, such as potassium, ensure low ash melting temperatures. At normal combustion temperatures, the ash melts or sinters, resulting in plant malfunctions and shutdowns. By washing out the straw with water (leaching), such problematic constituents can be reduced. In combination with additives, which are added to the straw during pelleting, ash melting can be prevented. However, sintering of the ash cannot be completely avoided, which is why the pellet ash remains as an ash body in geometric pellet form without combustion bed movement or stoking. It cannot be transported away through the grate slots. This problem was tackled by developing a continuously operated ball grate system for moving the firing bed or the pellet ash. A mixer was integrated on the grate plate in a drop shaft furnace with burner pot and a grate plate provided with grate slots. Balls were poured onto the mixer or grate plate. The mixer causes a ball movement and thus a moderate firing bed movement, whereby the ash slowly sinks through the ball bed, is partially crushed and transported away with the help of the mixer through grate slots. The basic principle of the developed ball grate system was first tested in cold tests. As was to be expected, the straw pellets were transported through the moving ball bed into deeper layers of the bed. Due to the cold tests, the particularly relevant influencing parameters mixer speed and ball diameter could already be estimated as start parameters of the combustion tests. Combustion tests with the integrated ball grate system were carried out in a drop firing system with a nominal heat output of 65 kW. The aim was to investigate the influences of mixer speed, ball diameter, ball material and pouring height on the functionality and efficiency of the system. For this purpose, temperatures, air mass flows and exhaust gas concentrations were continuously recorded during the tests. After the tests, the remaining ash in the burner pot could be gravimetrically recorded, the balls and the grate system examined for material-related changes and the ash removed analyzed as a measure of the ash burnout with regard to the annealing loss. Wheat straw was used as the test material and leached after harvesting, dried and pelletized as an additive with the addition of lime hydrate. In the first experiments without balls and with a single ball layer a too high temperature stress of the mixer could be determined. The shaft of the mixer deformed, blocking the system. A multi-layer pouring height of 60 mm ensured sufficient heat shielding of the mixer from the firing bed. V2A stainless steel was determined to be the most suitable ball material. Other material types were susceptible to corrosion, temperature or adhesion due to a too rough surface. High mixer speeds of 4.82 min-1 resulted in excessive carbon monoxide emissions, some of which significantly exceeded the legal limit of 400 mg/m3. The most suitable parameters were ultimately a mixer speed of 0.84 min-1, a pouring height of 59 mm with V2A stainless steel balls with a diameter of 15 mm and a primary air number between 0.7 and 0.8.A long-term test consisting of five separate individual tests was carried out with these parameters. After the tests, highly different results were obtained with regard to ash removal from the burner pot. In three of the five tests, all ash was almost completely removed and no adhesion or deposits on the balls could be detected. In two experiments, however, 12 % and 3 % of the total ash mass remained in the burner pot as ash agglomerates and deposits on the balls. The other evaluation criteria, emissions and ignition loss of the ashes, were similar in all five tests and at a low level. The average concentrations of carbon monoxide, dust and nitrogen oxide were 35.7 mg/m3, 26.3 mg/m3 and 245.0 mg/m3 (based on the dry standard volume at 13 % reference oxygen). The average loss on ignition of the ashes was 3.1 %.For comparison, combustion tests were carried out in a commercial travelling grate furnace. The ash could be continuously removed by the travelling grate without plant malfunction. Emissions and loss on ignition of the ash were comparable to the experiments with the ball grate system. The values of the average carbon monoxide, dust and nitrogen oxide concentrations were 49.3 mg/m3, 16.6 mg/m3 and 246.2 mg/m3 and the loss on ignition was maximum 3.3 %. It could be shown that a continuous combustion process is basically possible with the considerably simpler and more economical plant technology of the ball grate system compared to the travelling grate system. However, the occasional formation of ash agglomerates did not make it possible to develop a reliable system. Possible further investigations of the experimental parameters could lead to reliable continuous operation in a ball grate furnace. If this development step is successful, the ball grate system will represent a technical and especially economical alternative to the combustion of treated straw pellets (leached and additive) in small-scale furnaces. eng Dataset connected to Lobid/HBZ Germany ash melting biomass combustion grate system small-scale furnace wheat straw P:(DE-82)IDM00848 Quicker, Peter 1 Thesis advisor rwth Karl, Jürgen 2 Thesis advisor http://publications.rwth-aachen.de/record/793453/files/793453.pdf OpenAccess http://publications.rwth-aachen.de/record/793453/files/793453_source.doc Restricted http://publications.rwth-aachen.de/record/793453/files/793453_source.docx Restricted http://publications.rwth-aachen.de/record/793453/files/793453_source.odt Restricted http://publications.rwth-aachen.de/record/793453/files/793453.gif?subformat=icon icon OpenAccess http://publications.rwth-aachen.de/record/793453/files/793453.jpg?subformat=icon-180 icon-180 OpenAccess http://publications.rwth-aachen.de/record/793453/files/793453.jpg?subformat=icon-700 icon-700 OpenAccess oai:publications.rwth-aachen.de:793453 openaire open_access VDB driver dnbdelivery I:(DE-588b)36225-6 P:(DE-588)121325177X RWTH Aachen 0 RWTH I:(DE-588b)36225-6 P:(DE-82)IDM00848 RWTH Aachen 1 RWTH 2020 StatID:(DE-HGF)0510 StatID OpenAccess I:(DE-82)512220_20140620 512220 Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe 0 I:(DE-82)510000_20140620 510000 Fachgruppe für Rohstoffe und Entsorgungstechnik 1 FullTexts I:(DE-82)510000_20140620 I:(DE-82)512220_20140620 UNRESTRICTED VDB phd