Institut für Wärmetechnik. Technische Universität Graz Österreich

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1 Ascheproblematik in biomassebefeuerten Wirbelschichtanlagen 11tes Symposium m Energieinnovation Graz Institut für Wärmetechnik Technische Universität Graz Österreich 1

2 it Institut für Wärmetechnik Motivation zur Untersuchung des Ascheverhaltens Grundlagen der Wirbelscichtfeuerung Klassifizierung der Hauptbestandteile Schmelzverhalten Beschreibung der auftretenden Phänomene Mechanismen Auswirkungen auf den Prozess Überblick über mögliche Prozessführung Änderung der Aschezusammensetzung Zusammenfassung Inhalt der Präsentation

3 Motivation zur Untersuchung des Ascheverhaltens Biomasse besitzt großes Potential als erneuerbarer Energieträger Aktuell 10-15% der Primärenergie weltweit (Kahn, 009) Über 30% bis 100 (Nakicenovic, 000) Wirbelschichtfeuerung gut geeignet Hohe Brennstoffflexibilität Niedrige Heizwerte (Asche-, Wassergehalt) Erweitertes Brennstoffspektrum Biogene Reststoffe Energiepflanzen Alkalireiche Aschen 3

4 Grundlagen der Wirbelschichtfeuerung Abb.1: Schema einer Wirbelschichtfeuerung (Quelle: Austrian Energy & Environment, Produktfolder) 4

5 Klassifizierung von Biomasse Hauptkom mponente 0 SiO 4 3 Fe SO Al O O Na O 0 Hauptkomponente p 1 1 CaO K O P O 5 MgO 1. Holz und holzartige Biomasse. Halmgutartige Biomasse 3. Biogene e Abfallstoffe 4. Kohle, Torf Abb.: Einteilung von Brennstoffen gemäß ihrer Aschekomponenten (Quelle: Öhmann, 000) 5

6 Schmelzverhalten Elemente mit positivem Einfluss: Kalzium Magnesium Negativer Einfluss: Masse enanteil [%] Silizium Kalium 0 10 Kalium Silicium Calcium Phosphor Magnesium Erweichungstemperatur t [ C] Abb.3: Einfluss der Aschekomponenten auf das Schmelzverhalten (Quelle: Eigene Messungen) 6

7 Verschlackung und Fouling Ablagerungen auf Heizflächen und im Rauchgaskanal Herabsetzen des Wärmeübergangs Änderung der Strömungsverhältnisse Blockade des Rauchgaszuges Strömungsrichtung Schwerkrafteinfluss Strömungsablösung Partikel Heizflächenrohr Staupunkt Abb.5: Fouling am Wärmetauscher einer zirkulierenden Wirbelschicht am IWT 7

8 Hochtemperaturkorrosion an Wärmetauscherrohren Angriff auf metallische Werkstoffe Chlor als Hauptverantwortlicher Schwächung der Rohrwände Maximum zwischen 450 C und 550 C Mechanismus: KCl K SO 4, Cl KCl SO + O K SO + Cl Fe 3 O 4, FeS +Abb.6: Korosionsschäden an Überhitzerrohren Cl + Fe FeCl 3FeCl + Cl + O Fe3O4 3 + SO + O FeS + Fe3O4 4 4 (Quelle: Kahn, 009) 4FeCl + Cl 8

9 Zusammenbacken einzelner Bettmaterialpartikel Bildung großer Agglomerate Zusammenbrechen der Fluidisierung Agglomeration des Bettmaterials Abb.7: Agglomerate aus dem L.A.P.I.S. Reaktor am IWT 9

10 Agglomeration des Bettmaterials Coating induzierte Agglomeration: a) b) SiO /K O c) SiO SiO SiO SiO SiO SiO Adhäsion Adhäsion Schmelzinduzierte Agglomeration: a) b) SiO SiO SiO SiO Geschmolzene Aschepartikel Abb.8: Abb.9: Elektronenmikroskopische Mechanismen der Agglomeration Aufnahme (Quelle: eines Visser, Agglomerats 004) 10

11 Übersicht möglicher Ansatz: Mobilisierung der Alkalichloride verhindern Prozessführung Temperatursenkung (<770 C) Bettmaterialtausch Ändern der Aschezusammensetzung Bettmaterial t Additive Brennstoffmischung 11

12 Eingriff über die Prozessparameter Stand der Technik: Senkung der Betttemperatur Hohe Bettmaterial-Recyclingraten Neue Ansätze: Onlineüberwachung Bedarfsgerechter Einsatz * Abb.1: Bettmaterialtausch basierend auf online Überwachung (Quelle: Bartels, 009) *) S-Wert definiert den Grad der Abweichung der Druckschwankungen von einem Referenzzustand 1

13 Ändern der Aschezusammensetzung Einbringung neuer Reaktionspartner für Alkalien Metalle (Al, Fe, ) Schwefel Bildung neuer Verbindungen mit unproblematischem Verhalten Al O SiO + MCl + H O MAlSiO HCl MCl + SO 1 + O M SO HCl + 4 ( M entspricht Kalium oder Natrium) 13

14 Mögliche Additive und Bettmaterialien Tabelle 1: Zusatzstoffe zur Reduzierung von n Gruppe Bezeichnung Chemische Formel Silikate Olivin Reduziert (Mg,Mn,Fe) [SiO 4 ] Agglomerationen Kaolin Al 4 (OH) 8 [Si 4 O 10 ] Feldspat (Ca,K,Na)(Al,Si) 4 O 8 Karbonate Kalkstein CaCO 3 Dolomit CaMg(CO 3 ) Magnesit MgCO 3 Sulfate Ammoniumsulfat [NH 4 ] SO 4 Reduziert Fouling/Korrosion Aluminiumsulfat Al (SO 4 ) 3 Eisensulfat Fe (SO 4 ) 3 14

15 Mischung biogener Brennstoffe Brennstoffmischungen Ca reiche Biomassen (z.b. Holz, ) Si reiche Biomassen (z.b. Reishülsen, ) Al reiche Biomassen (z:b. Klärschlamm, ) Zufeuerung von Biomasse in Kohleanlagen Hoher Schwefelgehalt Hoher Gehalt an Al und Si Vorteile: Keine Zugabe von Inertmaterial Einsatz günstiger Biomassen (Abfallstoffe etc.) Nutzung vorhandener Anlagen (Co-Combustion) C Verwendung von Brennstoffmischungen wäre eine besonders kostengünstige Variante 15

16 Zusammenfassung Großes Potential für energetische Nutzung von Biomasse Wirbelschichtfeuerung besonders geeignet reich an Alkalien und Chlor bei der Feuerung von Biomasse Fouling Korrosion Agglomeration zu deren Vermeidung Temperatur senken, Bettmaterial tauschen Aschezusammensetzung verändern (Al oder S zugeben) Biogenes Brennstoffband erweitern und Wirtschaftlichkeit erhöhen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 16

17 Bildung der Coatings Mechanische oder chemische Vorgänge Stetiges Wachstum der Schichten Anreicherung von K, Ca und Si Aschepartikel, fest Bettmaterial Partikel (SiO ) K Si 4 O 9(s) Geschmolzene Asche KCl (g) KCl (g) KCl (g) Abb10 Abb.10: Mechanismen der Coatingbildung 17

18 Stand der Technik: Eingriff über die Prozessparameter Senkung der Betttemperatur Hohe Bettmaterial-Recyclingraten Neue Ansätze: Onlineüberwachung Bedarfsgerechter Einsatz * Abb.11: Einfluss der Temperatur auf die Agglomeration (Quelle: Lin, 003) 18

19 Klassifizierung von Biomasse Holz und SiO holzartige Biomasse K O Halmgutartige Biomasse Biogene Abfallstoffe (Klärschlamm Na Oetc.) Biogene Reststoffe (agrikulturell und industriell) Aquatische 4 Biomasse (Algen etc.) MgO 3 1 Energiepflanzen CaO mponente 0 Hauptkom Fe SO Al O O Hauptkomponente p 1 P O 5 1. Holz und holzartige Biomasse. Halmgutartige Biomasse (Quelle: Kahn, 009) 3. Biogene e Abfallstoffe 4. Kohle, Torf Abb.: Einteilung von Brennstoffen gemäß ihrer Aschekomponenten (Quelle: Öhmann, 000) 19