Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

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

Die Verbrennung von Biomasse nimmt bei der dezentralen Wärmeerzeugung durch erneuerbare Energien eine bedeutende Stellung ein. Im Vergleich zu Pellets, deren Herstellung kosten- und energieintensiv ist, bieten Hackschnitzel eine kostengünstige Alternative. Allerdings stellen insbesondere die Schwankungen im Feuchtegehalt (5 % - 60 %) und bei den geometrischen Abmessungen einzelner Hackschnitzel hohe Ansprüche an die einzusetzende Feuerungstechnik. Aus großen Anlagen bekannte Technologien zur Verbrennung schwieriger Brennstoffe wie die Schürung durch bewegliche Rostsysteme und Stufung der Verbrennungsluft sind zwar auch im kleinen bis mittleren Leistungssegment für Biomassekessel etabliert, die Wahl der Betriebsparameter basiert allerding aufgrund des fehlenden Wissens um die Wechselwirkungen zwischen den bewegten, reagierenden Brennstoffobjekten und der Gasphasenverbrennung, bisher lediglich auf Erfahrungswerten der Hersteller. Bei Chargenwechsel müssen die Anlagenparameter manuell neu justiert werden, um eine optimierte Verbrennungsführung zu realisieren. In dem vorliegenden Projekt soll daher diese Wissenslücke geschlossen werden. Die Hackschnitzel werden hinsichtlich ihrer geometrischen, mechanischen und thermochemischen Eigenschaften zu unterschiedlichen Umwandlungsgraden charakterisiert. Anschließend wird die Wirkung von Schürbewegungen auf die Verbrennung experimentell und mittels Simulationen analysiert. Zusätzlich werden Messungen und Simulationen an einem industriellen Biomassekessel mit Kettenrosttechnik durchgeführt, um abschließend einen Verfahrensablauf zur Optimierung der Verbrennungsführung durch dynamische Anpassung der Rostbewegung zu entwickeln.

Die Ergebnisse des Projektes sind vor allem für den von KMU's abgedeckten kleinen bis mittleren Leistungsbereich für Biomassekessel von Bedeutung. Durch eine gesteigerte Nachfrage profitieren zudem auch die in der Versorgungskette befindlichen mitteständisch geprägten Forstbetriebe und Logistikunternehmen.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden detaillierte Messungen und korrespondierende Simulation zur Verbrennung von feuchten Holzhackschnitzeln in Anlagen kleiner und mittlerer Leistung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine gezielte Brennbettschürung einen positiven Beitrag zur Effizienzsteigerung von Hackschnitzelfeuerungen leisten kann. Die Schürung hat einen erheblichen Effekt zur Steigerung der Massenumsatzrate bei der Verbrennung von Hackschnitzeln hoher Feuchte. Sie bewirkt eine Durchmischung des Brennbettes und führt damit zu einem höheren Wärmetransport ins Innere des Brennbettes.

Weiter wurde ein Verfahren zur Messung der Abgasfeuchte mit einem kapazitiven Feuchtesensor entwickelt. Es konnte an einer Feuerung im Labormaßstab und an einer kommerziell betriebenen Hackschnitzelfeuerung erfolgreich getestet werden. Der Vorteil gegenüber etablierten Messverfahren (z.B. FTIR-Messung) sind der geringe Investition- und Wartungsaufwand. Somit ist das Verfahren auch für Hackschnitzelfeuerungen kleiner und mittlerer Leistung einsetzbar. Bei diesen ist der Wassergehalt des eingesetzten Brennstoffes meist unbekannt. Der so gewonnene Messwert kann zukünftig zur automatischen Anpassung der Betriebsparameter an den Wassergehalt des Brennstoffes verwendet werden, um so das Brennstoffangebot zu erweitern.

Abschließend wurde ein Verfahren mit vertretbaren Rechen- und Zeitaufwand für die DEM/CFD-Simulation von Hackschnitzelfeuerungen entwickelt und anhand der experimentellen Ergebnisse überprüft. Dieses kann zukünftig eingesetzt werden, um Parameterstudien zur Untersuchung der Einflüsse von verschiedenen Anlageparameter auf die Verbrennung zu untersuchen. Solche Studien waren bislang mit DEM/CFD-Simulationen nicht möglich, da die bis dato zu Verfügung stehenden Simulationsansätze einen zu großen Zeit- und Rechenaufwand hatten.