Stroh-Energie.NRW Konfektionierte Strohbrennstoffe für innovative Feuerungen Doppelstrategie zur energetischen Verwertung von Stroh

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1 Konfektionierte Strohbrennstoffe für innovative Feuerungen Doppelstrategie zur energetischen Verwertung von Stroh Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker, Thomas Horst, M.Sc. Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe RWTH Aachen University 27. Deutscher Flammentag September 2015 in Clausthal-Zellerfeld

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6 Inhalt I. Einführung II. Strohverbrennung großtechnisch III. Projektziele & -inhalte IV.Arbeitspakete & Ergebnisse I. Ascheerweichung II. V. Fazit Verbrennungsversuche 6 von 57

7 Einführung

8 Einführung Strohzusammensetzung Problematische Inhaltsstoffe Aschegehalt [%] Cl-Gehalt [%] N-Gehalt [%] , ,5 1 0,5 1 0, von 57

9 Wärmepotenzial [TWh/Jahr] Einführung Strohpotenzial NRW Wärme Biomassepotenzialstudie Erntenebenprodukte Max-Szenario Leitszenario Min-Szenario Realisiert Quelle: LANUV NRW von 57

10 Strohverbrennung großtechnisch

11 Mitverbrennung Kohlekraftwerk Amager Kopenhagen Lieferant: Burmeister & Wain Energy A/S IBS Low-Nox-Multifuel-Staubbrenner Dampf: 185 bar, 562 C, 500 Mg/h Brennstoffe: Kohle (Schweröl) Strohpellets Holzpellets Quelle: Gjernes 2008; Burmeister & Wain Energy A/S 11 von 57

12 Monoverbrennung Kraftwerk Avedøre Kopenhagen Lieferant: Burmeister & Wain Energy A/S IBS 2001 Vibrationsrost Dampf: 300 bar, 580 C (überkritisch) Brennstoffe: Strohballen Holzpellets, Gas, Öl Quelle: Energy E2; Dong Energy 12 von 57

13 Monoverbrennung Strohkraftwerk Emlichheim Lieferant: Burmeister & Wain Energy A/S Dampf: 112 bar, 522 C, 67 Mg/h 49,9 MW FWL 1. Strohlagerhalle 5. Brennstoffzufuhr 9. Dampftrommel 13. Trockensorption 2. autom. Deckenkran 6. Brennraum 10. Überhitzerflächen 14. Generator 3. Ballenförderer 7. Vibrationsrost 11. Economizer 15. Kamin 4. Ballenauflöser 8. Nassentaschung 12. Luftvorwärmer 16./17. Turbine/Generator Quelle: Strohkraftwerk Emlichheim 13 von 57

14 Monoverbrennung: Strohkraftwerk Emlichheim Wassergekühlter Vibrationsrost Quelle: Strohkraftwerk Emlichheim 14 von 57

15 Monoverbrennung: Strohkraftwerk Emlichheim Wassergekühlter Vibrationsrost Quelle: Strohkraftwerk Emlichheim 15 von 57

16 Monoverbrennung: Strohkraftwerk Emlichheim 16 von 57

17 Monoverbrennung: Strohkraftwerk Emlichheim 17 von 57

18 Monoverbrennung: Asche Strohkraftwerk Emlichheim 18 von 57

19 Ziele & Inhalte

20 Projektziele & Vorgehen Erschließung des Energieträgers Stroh für die Nutzung in Kleinfeuerungsanlagen nach 1. BImSchV Doppelstrategie Konfektionierung des Brennstoffs - Additivierung - Laugung Modifikation der Feuerung - Luftstufung - Schürung & Entaschung + 20 von 57

21 Projektinhalte Überblick Strohballen Energiedichte ca. 2 MJ/m³ Additive zur Anpassung von Ascheerweichung und Sinterung Schadgasemissionen Freisetzung korrosiver Gasbestandteile Abriebfestigkeit & Stabilität Kleinfeuerung Gestufte Verbrennung Angepasste Entaschung Strohhäcksel Energiedichte ca. < 0,9 MJ/m³ Laugung Konfektionierte Strohpellets Energiedichte ca. 11,5 MJ/m³ Erhöhter Ascheerweichungspunkt Verbesserte Abbrandeigenschaften Erhöhte Stabilität 21 von 57

22 Konzept Vergleich Brennstoffkonfektionierung Kohle Gewinnung Zerkleinerung Fraktionierung Trocknung Brikettierung Stroh Bergung Laugung Additivierung Trocknung Pelletierung Quelle: von 57

23 Arbeitspakete & Ergebnisse Ascheerweichung

24 Strohcharakterisierung Referenzstrohsorte Strohzusammensetzung Parameter Einheit Wert Kohlenstoff C % 44,2 Wasserstoff H % 6,01 Sauerstoff O % 35,1 Stickstoff N % 0,66 Schwefel S % 0,06 Chlor Cl % 0,41 Wasser % 8,4 Asche % 5,15 Flüchtige % 69,3 Brennwert H o kj/kg 17.2 Heizwert H u kj/kg 15.7 Aschezusammensetzung Elemente Anteil in Wert Aluminium % 0,096 Calcium % 3,99 Chlor % 9,57 Eisen % 0,13 Kalium % 26,9 Magnesium % 0,95 Natrium % 0,10 Phosphor % 1,50 Schwefel % 0,37 Silicium % 21,1 Pb, Ba, Br, Cr, F, Co, Cu, Mn, Mo, Sr, Ti, V, W, Zr, Zn, Sn % <0,10 24 von 57

25 Ascheerweichung Erhitzungsmikroskop Charakterisierung Ascheerweichung nach DIN CEN/TS von 57

26 Ascheerweichung Erhitzungsmikroskop Phasen des Schmelzvorgangs von Biomasseasche nach DIN CEN/TS der verwendeten Strohsorte 1 Ausgangsprobe (entspricht Form & Größe bei 550 C) 2 Schrumpfung = Sinterbeginn 3 Erweichung 4 Halbkugel 5 Fließen Quelle: DIN CEN/TS von 57

27 Ascheerweichung Referenzstrohsorte Charakteristische Temperaturen Sinterbeginn Gemittelter Erweichung Gemittelte Fließtemperatur [ C] Sinterbeginn [ C] Erweichung [ C] [ C] [ C] Gemittelte Fließtemperatur [ C] von 57

28 Brennstoffkonfektionierung Laugung 29 von 57

29 Aschegehalt [Ma.-%, wf] Chlorgehalt [Ma.-%, wf] Brennstoffkonfektionierung Laugung Beispiel: Laugung von Gerstenstroh 6 0, Chlorgehalt Aschegehalt 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0 0,00 29 von 57

30 Beeinflussung des Erweichungsverhaltens Additivierung Gezielte Änderung der Aschenkomposition durch Zugabe von Mineralien/Chemikalien Mechanismen: Verdünnung, physikalische Adsorption, chemische Reaktion Betrachtete Additive Kaolin Al 2 [(OH) 4 Si 2 O 5 ] Dolomit CaMg(CO 3 ) 2 Calciumoxid CaO Calciumcarbonat CaCO 3 Eisen(III)-oxid Fe 2 O 3 Calciumhydroxid Ca(OH) 2 Aluminiumoxid Al 2 O 3 Magnesiumoxid MgO 28 von 57

31 Additivierung Screeningversuche im Muffelofen bei 900 C Additiv Kalkhydrat 5 Gew.-% Ca(OH) 2 Additiv Kalkhydrat 3 Gew.-% Ca(OH) 2 Kein Additiv 35 von 57

32 Laugung & Additivierung Screeningversuche im Muffelofen bei 900 C Gelaugtes Stroh 3 Gew.-% Ca(OH) 2 Gelaugtes Stroh 1 Gew.-% Ca(OH) 2 Gelaugtes Stroh Kein Additiv 36 von 57

33 Temperatur [ C] Untersuchung des Erweichungsverhaltens Beispiel: Additivierung mit Kaolin [ Al 4 [(OH) 8 Si 4 O 10 ] 1500 Fließtemperatur Halbkugeltemperatur Erweichung Sinterbeginn 500 0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0% Gehalt im Brennstoff [Ma.-%] 30 von 57

34 Temperatur [ C] Untersuchung des Erweichungsverhaltens Beispiel: Additivierung mit Dolomit [ CaMg(CO 3 ) 2 ] Fließtemperatur 1100 Halbkugeltemperatur Erweichung Sinterbeginn 500 0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0% Gehalt im Brennstoff [Ma.-%] 31 von 57

35 Untersuchung des Erweichungsverhaltens Entwicklung Modellasche Problem: Heterogenität der Strohaschen verursacht zu starke Abweichungen bei Wiederholungsversuchen Bestimmung des Additiveinflusses an Originalsubstanz schwierig Mischen einer Modellasche auf Basis einer Röntgenfluoressenzanalyse der Referenzstrohasche Komponente K 2 CO 3 SiO 2 CaO MgO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 Na 2 CO 3 Ma.-% 50,0 39,0 7,4 2,0 0,6 0,5 0,5 32 von 57

36 0% 1% 2% 1% 2% 1% 2% 1% 2% 1% 2% 1% 2% 1% 2% 1% 2% Charakteristische Temperatur [ C] Untersuchung des Erweichungsverhaltens Modellasche 1600 Sintern Erweichung Fließen MA Kaolin Dolomit CaO CaCO₃ Fe₂O₃ CaOH₂ Al₂O₃ MgO 33 von 57

37 Temperatur in C Untersuchung des Erweichungsverhaltens MgO 1400 Fließtemperatur Erweichung Halbkugeltemperatur Sinterbeginn 400 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 MgO-Gehalt in Gew.-% 34 von 57

38 Additivierung Screeningversuche im Muffelofen bei C Additiv Magnesiumoxid 5 Gew.-% MgO Additiv Kaolin* 5 Gew.-% * Hauptbestandteil Kaolinit Al 4 [(OH) 8 Si 4 O 10 ] Additiv Kalkhydrat 5 Gew.-% Ca(OH) 2 37 von 57

39 Sinterung Untersuchung der Sinterungshärte Für Entaschung ist Härte der Versinterung entscheidend Veraschen des (additivierten) Strohs bei C und Prüfen verschiedener Verfahren aus Mineralogie und Metallurgie: - Schrumpfung - Neigungs- und Falltest - Mohs-Härte - Einteilung nach Lorente et al. 2005, - Druckfestigkeit 38 von 57

40 Gewichtskraft [N] Sinterungshärte Druckfestigkeit: gelaugtes Stroh Kein Additiv 1 % Ca(OH) 2 2 % Ca(OH) 2 3 % Ca(OH) 2 39 von 57

41 Arbeitspakete & Ergebnisse Verbrennungsversuche

42 Verbrennung Feuerung Quelle: Biotech 41 von 57

43 Verbrennung Messtechnik Abgas F A1 A2 P T A1 Gasanalytik: Infrarot-Spektroskopie SICK MCS100E A2 Gasanalytik: elektrochemisch Testo 350 A2 A2 A2 T T T Rost (beweglich für Ascheabwurf) Pelletzuführung Tertiärluft (Modifikation) Sekundärluft T Primärluft F F F P F T Partikelmesstechnik Gravimetrisch (VDI 2066) Streulichtmessung Volumenstrommessung Staudrucksonde Prandtl-Sonden Kalorimetrisch Temperaturmessung 42 von 57

44 Verbrennung Feuerungsmodifikation Ergänzung um dritte Luftstufe Anpassung des Ascheaustrags Installation der Messeinrichtungen und -zugänge Optischer Zugang 43 von 57

45 Verbrennung Feuer Holzpellets Strohpellets 44 von 57

46 Verbrennung Feuer mit Strohpellets Versuchsbeginn 45 von 57

47 Verbrennung Feuer mit Strohpellets Versuchsbeginn Beginn Versinterung 46 von 57

48 Verbrennung Feuer mit Strohpellets Versuchsbeginn Beginn Versinterung Versuchsabbruch 47 von 57

49 Verbrennung unbehandelt additiviert gelaugt & additiviert 5 % Ca(OH) 2 2 % Ca(OH) 2 Für Dauerbetrieb ist die Schürung des Brennbettes zur Auflösung der Agglomerate zwingend erforderlich! 48 von 57

50 Kohlenmonoxid in [mg/m³ N ] Verbrennung Emissionen: Kohlenmonoxid 500 Abbruch ungelaugt, 5% Ca(OH) HOLZ STROH unbehandelt Abbruch 0 0:00 0:15 0:30 0:45 1:00 1:15 1:30 1:45 2:00 Zeit gelaugt, 2 % Ca(OH) 2 49 von 57

51 SO 2 -Konzentration Abgas [mg/m³ N ] Verbrennung Saure Gaskomponenten: SO Stroh, unbehandelt Stroh, 2 % Kalkhydrat Holz 0 0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 Zeit in h:mm 50 von 57

52 optimierter Ascheaustrag unmodifizierter Ascheaustrag Verbrennung unbehandelt additiviert gelaugt & additiviert 5 % Ca(OH) 2 2 % Ca(OH) 2 4 % Kaolin 2 % Ca(OH) 2 51 von 57

53 Fazit

54 Fazit Was wurde bisher erreicht? Prinzipielle Eignung der angewandten Doppelstrategie aufgezeigt Laugung erniedrigt Chlor- und Aschegehalt signifikant Additivierung hat positiven Einfluss auf Erweichungsverhalten Allerdings ist die Sinterung ohne Schürung nicht zu verhindern Optimierter Ascheaustrag ermöglicht kontinuierlichen Betrieb Was muss noch gemacht werden? Optimierung des Rostes und des Ascheaustrags Verbrennungsversuche zur Identifikation der optimalen Betriebsparameter Finale Optimierung der Pelletrezeptur Großtechnische Umsetzung des Laugungsprozesses 53 von 57

55 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker RWTH Aachen University Aachen

56 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker RWTH Aachen University Aachen

57 Verbrennung Emissionen: Stickoxide 500 Stickoxidemissionen in mg/m³ N ungelaugt, 5 % Ca(OH) 2 gelaugt, 2 % Ca(OH) 2 unbehandelt 100 HOLZ STROH 0 0:00 0:15 0:30 0:45 1:00 1:15 1:30 1:45 2:00 2:15 2:30 2:45 3:00 Zeit in h:mm 56 von 57

58 HCl-Konzentration Abgas [mg/m³ N ] Verbrennung Saure Gaskomponenten: HCl Stroh, unbehandelt 1 Stroh, 2 % Kalkhydrat Holz 0 0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 Zeit in h:mm 57 von 57