Lagerung und Dosierung von Biofestbrennstoffen

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1 Agrartechnische Forschung 5 (1999) H. 2, S Lagerung und Dosierung von Biofestbrennstoffen Storage and Metering of Solid Biofels Christian Fürll und Thomas Schuricht Institut für Agrartechnik Bornim e. V., Potsdam Kurzfassung: Lager- und Dosierbehälter für Holzhackschnitzel können gegenüber dem jetzigen Stand der Technik einfacher gestaltet werden, wenn die Dimensionierung auf der Grundlage der im Labor ermittelten Fließeigenschaften erfolgt. Über Versuche und Ergebnisse zu den Fließeigenschaften von Holzhackschnitzeln und Strohpellets wird in diesem Artikel berichtet. Bei brikettierten Biofestbrennstoffen aus Stroh und Holz darf ein zulässiger Abriebanteil nicht überschritten werden, wenn Störungen bei der Entnahme aus Behältern vermieden werden sollen. Deskriptoren: Biofestbrennstoff, Lagern, Dosieren Abstract: Storage and metering bins for wood chips can be designed more simply than in the present state of the art if the design is carried out an the basis of the jlow properlies determined in the laboratory. This article reports an tests and results of the jlow properfies of wood chips and straw pellets. If trouble at the discharge from the bins is to be avoided, an admissible abrasion component may not be exceeded in solid biofuels made from straw and wood. Keywords: biofuel, storage, metering 1 Problemstellung Verbrennungsanlagen für Biofestbrennstoffe stehen in der Praxis unter einem enormen Kostendruck. Der Grund dafür ist, daß in Deutschland im Gegensatz zu anderen Ländern, z.b. Skandinavien, die Preise für die traditionellen Brennstoffe sehr niedrig sind. Für die Verfahrenstechnik stellt sich deshalb u.a. die Aufgabe, die Anlagen so zu gestalten, daß die festen Kosten so gering wie nur möglich werden. Für den Anlagenteil Lagerung und Dosierung kommen überwiegend Vorratsbehälter mit vertikalen Wänden und großflächigen Untenentnahmesystemen zur Anwendung. Diese Systeme sind sehr aufwendig, bieten aber auf Grund der oftmals sehr schlechten und vor allem wegen der wechselnden Fließeigenschaften der Biofestbrennstoffe die beste Anlagensicherheit Die Ursachen für schlechte Fließeigenschaften liegen beispielsweise bei Holzhackschnitzeln in der ungünstigen, sehr von der Kugelgestalt abweichenden Teilchenform des Hackgutes. Oftmals sind extreme Überlängen vorhanden, die sich ganz besonders ungünstig auswirken. Die Lösung dieser Probleme ist durch die Entwicklung einer entsprechenden Zerkleinerungstechnik, die ein fließfähiges Hackgut liefert, möglich. Bei pelletierten oder brikettierten Biofestbrennstoffen aus Stroh oder Holzspänen werden Störungen bei der Entnahme aus Behältern mit Gravitationsfluß hauptsächlich durch einen zu hohen Abriebanteil hervorgerufen. Dieser entsteht bei Umschlagvorgängen und ist nur durch entsprechende Festigkeiten zu vermeiden, die wiederum einen hohen Energiebedarf oder einen zusätzlichen Bindemitteleinsatz bei der Herstellung erfordern. In diesem Beitrag wird über die Bestimmung der physikalischen Fließeigenschaften eines ausgewählten, praxisrelevanten Holzhackschnitzelgutes, auf deren Grundlage die Dimensionierung von kostengünstigen Behältern mit Gravitationsfluß möglich ist, berichtet. Es werden ferner aus experimentell und theoretisch gewonnenen Untersuchungsergebnissen Empfehlungen flir die Lagerung und Dosierung von pelletierten und brikettierten Biofestbrennstoffen mitgeteilt. 2 Physikalische Eigenschaften 2.1 Fließeigenschaften von Holzhackschnitzeln Versuchsmaterial Als Versuchsmaterial wurden Pappel - Holzhackschnitzel verwendet. Um den Feuchtigkeitseinfluß zu ermitteln, ist die Gutfeuchtigkeit zwischen "erntefeucht" bis

2 92 Ch. Fürll und Th. Schuricht "lufttrocken" variiert worden. Aus versuchstechnischen Gründen konnte nur der Korngrößenanteil <1mm in den Scherfestigkeitsmessungen benutzt werden. Eine verfalschende Aussage ist dadurch nicht zu erwarten, weil die Fließeigenschaften eines Gutes vor allem vom Feinanteil bestimmt werden Versuchsmethode Zum Bestimmen der Fließeigenschaften werden Scherfestigkeitsmessungen durchgeführt. Die Wertepaare von Normalspannung ai, und Scherspannung 'tj, bei denen das Fließen beginnt, sind Tangentialpunkte von Mohrsehen Kreisen, deren Einhüllende der entsprechende Fließort ist (Bild 1). Als Meßgeräte kommen hierfür das Ringschergerät nach Walker und das Translationsschergerät nach Jenike in Betracht (Bild 2). Da für verdichtbare organische Stoffe das Ringschergerät auf Grund des unendlichen Scherweges besser geeignet ist als das Translationsschergerät, wurde dieses verwendet. Zum Bestimmen der inneren Fließeigenschaften wird ein Scherdeckel mit konzentrischen Schneidkanten benutzt, die durch Querstege verbunden sind. Beim Aufsetzen des Deckels dringen diese in das Gut ein und ermöglichen auf diese Weise den Schervorgang im Gut. Während der Messung rotiert der untere Schertrog. Die Scherkräfte werden über einen Hebelarm gemessen, der an einer Kraftmeßdose anliegt und den oberen Scherdeckel arretiert. Beim Bestimmen der Wandreibung wird der Scherdekkel mit den Schneidringen gegen einen Deckel ausgetauscht, dessen Unterseite aus einer ebenen Kreisringfläche mit dem betreffenden Wandmaterial besteht. Aus einer Fließortfamilie und dem Wandfließoft werden die Kenngrößen: innerer Reibungswinkel <pi, effekti on <cx (Wandscherfestigkeit bei der Normalspannung an= o) ermittelt (Bild 1 ). a) Jenike-Seherzelle FN - f ~95 b) Ringscherzelle nach Walker 1 Hebelarm zur Drehmomentenmessung Bild 2: Scherzellen zum Bestimmen der Stoffgesetze Translationsscherzelle nach JENIKE Ringscherzelle nach WALKER Fig. 2: Sheer cells for predicting of properlies for bulk material a) Sheer cell of JENJKE b) Ringsheer cell ofwalker ver Reibungswinkel <pe, stationärer Reibungswinkel <p 5,, einaxiale Druckfestigkeit ac, Kohäsion <c (Scherfestigkeit bei der Normalspannung an = ), Wandreibungswinkel <p, und Adhäsi- Bild 1: Darstellung der Fließorte im Mohrsehen Normalspannungs - Scherspannungs - Diagramm Fig. 1: Presentation ofyield locus in the Mohr normal stress- sheer stressdiagram

3 Agrartechnische Forschung 5 (1999) H. 2, S Versuchsergebnisse Der Wandreibungswinkel gegenüber einer walzrauben Stahloberfläche ist flir ein lufttrockenes Gut mit einer Gutfeuchte von f = 11,8% mit <J'x = 12,1 erwartungsgemäß niedriger als ftlr erntefeuchtes Gut mit f = 52,8%, bei dem ein Wert von <J'x = 2, gemessen wurde (Tabelle 1 ). Tabelle I: Physikalische Eigenschaften und Silogeometrie flir Pappel - Holzhackschnitzel (Gutfeuchtigkeit f = II,8% und 52,8%) Table 1: Physical properlies and silo geometry for poplar chips (moisture content = 11 8% and 52 8%) Pa ppei-hackschnitzel Probe 1: f = 11.8% Wandreibungswinkel [ ] 12.1 gegen Stahl Schüttdichte [kg/m 3 ] 145 kritische einaxiale Druckfestigkeit.5 [1 3 N/m 2 ] - Axialsymmetrische Behälter Wandneigung [ ] 3. Auslaufdurchmesser [m].86 - Keilförmige Behälter Wandneigung [ ] 37 Spaltbreite [m].42 Probe 2: f= 52.8% Fließeigenschaften von Strohpellets Lagerfähige, trockene Strohpellets sind eigentlich wie trockenes Getreide kohäsionslos und damit freifließend. Dies ändert sich gravierend, wenn durch Beanspruchungen beim Umschlagen ein erhöhter Abriebanteil entsteht. Ist dieser so hoch, daß die Pellets im Abrieb eingebettet sind, werden die Fließeigenschaften durch den Abrieb vermindert. Der zulässige Grenzwert für den Abriebanteil m FK an der Gesamtmasse aus Abrieb und Pellets mfk + m GK läßt sich theoretisch nach folgender Gleichung berechnen [I]: m FK P.I'FK P sgkp GK + P.I'FK P GK - P sak Er hängt ab von der Schüttdichte des Abriebs P sfk, von der Schüttdichte der Pellets p \'GK und von der Pelletdichte P c;k. Nach dieser Gleichung erhält man ftlr Strohpellets Grenzwerte, die unter 15% zulässigem Abriebanteilliegen. Scherfestigkeitsmessungen mit dem Abrieb von Strohpellets sind wegen der ausgeprägten Deformationseigenschaften nur sehr schwierig durchführbar. Es wurde deshalb darauf verzichtet und auf großtechnische Experimente orientiert. Der Wandreibungswinkel von Stroh gegenüber einer walzrauben Stahloberfläche hängt von der Gutfeuchtigkeit und von der Strohart ab. Er liegt bei f < 2% im Bereich von <J'x = 1 bis 23. (l) Die Schüttdichte ist mit Ps = 145 kg/m 3 bei dem trockenen Gut ebenfalls niedriger als bei dem erntefeuchten Gut, bei dem sie Ps = 222 kg/m 3 beträgt (Tabelle 1 ). Die Ergebnisse aus den Scherfestigkeitsmessungen streuen mehr als bei pulvrigen Schüttgütern. Trotzdem ist aus den Verläufen der einaxialen Druckfestigkeit als Funktion der Hauptnormalspannung die Tendenz zu erkennen, daß das erntefeuchte Gut durch die höheren einaxialen Druckfestigkeiten schlechtere Fließeigenschaften als lufttrockenes Gut besitzt (Bild 3) ca >< ca r:::: w --.~ >< m Q) t:: 5.-,-~~_,--,-,---~ ~~ t--t---+- I ;_!-' l---l 2 - ~ i I I t-:. ~2.B% D -!-...; ! ~f-" 1 X~ I : I f=118% -x - Lx...;...x l Hauptnormalspannung [1 3 N/m 2 ] Main Normal Stress Bild 3: Verlauf der einaxialen Druckfestigkeit von erntefeuchten und lufttrockenen Pappel - Holzhackschnitzeln als Funktion der Hauptnormalspannung Fig. 3: Course of the unconfined compression strength of harvest-moist and air-dry poplar- chips as function of the main normal stress

4 94 Ch. Fürll und Th. Schuricht 3 Fließtechnische Dimensionierung von Behältern 3.1 Holzhackschnitzel Würden Holzhackschnitzel keine Kohäsion aufweisen, könnte die Dimensionierung der Auslauföffnung von Behältern nach den maximalen Korngrößen vorgenommen werden. Hierfür gibt es in der Literatur Empfehlungen von zahlreichen Autoren ftir die Verhältnisse von Auslaufdurchmesser da zu maximaler Korngröße Xmax bei axialsymmetrischen Behältern bzw. von Auslaufspaltbreite b A zu maximaler Korngröße xmax bei keilförmigen Behältern: daixmax > baixmax > 1, (2) (3) Bei kohäsiven Stoffen hat sich die fließtechnische Dimensionierung von Behältern nach dem Jenike Verfahren bewährt. Für Massenflußsilos wird der Neigungswinkel der Trichterwände zur Vertikalen 8 hiernach in Abhängigkeit vom Wandreibungswinkel <p, festgelegt. Zur Vermeidung von Auslaufstörungen werden die notwendigen Abmessungen ftir die Schlitzbreite ba bei keilförmigen Ausläufen und ftir den Durchmesser da bei kegeligen Ausläufen von Massenflußsilos nach Gleichung (4) berechnet: a k. (1 + m) ~ sin 2 (<p, + 8) PL. g Die kritische einaxiale Druckfestigkeit crc. krit wird aus der Gleichsetzung der Fließfunktion crc = f (cr 1 ) und dem Fließfaktor ffd nach Jenike bestimmt. Den Entnahmedurchmesser für Kernflußsilos erhält man aus der Gleichung (5): f (q:>). O"p, krit (4) (5) Der berechnete Auslaufdurchmesser ist ftir das lufttrokkene Gut trotz der geringeren Schüttdichte infolge der kleineren kritischen einaxialen Druckfestigkeit fast um die Hälfte kleiner als bei den erntefeuchten Hackschnitzeln (Tabelle 1). Wesentlich geringere Abmessungen erhält man flir keilförmige Behälter (Tabelle I). Diese Erkenntnis wird in der Praxis von einigen Herstellern genutzt. Obwohl keilförmige Behälter durch die ebenen Trichterflächen bei der Festigkeitsdimensionierung höheren Materilaufwand benötigen und die Entnahmeorgane aufwendiger sind, wird diese Lösung aus Gründen der Anlagensicherheit bevorzugt. Der Aufwand ist immer noch geringer als bei Behältern mit vertikalen Wänden und großflächiger Untenentnahmetechnik. 3.2 Strohpellets Bei Strohpellets ist durch die Beanspruchung bei Förderund Umschlagvorgängen immer mit einem störenden Abriebanteil zu rechnen. Deshalb kann die Berechnung nicht nach den maximalen Korngrößen vorgenommen werden. Der Trichterneigungswinkel zur Vertikalen muß nach den gemessenen Wandreibungswinkeln für axialsymmetrische Auslauftrichter < 2 und ftir Keiltrichter < 27 gewählt werden. Bei diesen Winkeln verläuft die Entnahme im Massenfluß, der die Gefahr der Brückenbildung mindert. Auch hier empfiehlt es sich, in der Praxis kleinere Winkel vorzusehen. Da zur Berechnung der Auslauföffnung Scherfestigkeitsmessungen mit dem Abrieb der Strohpellets aus den genannten Gründen nicht möglich sind, wurden in großtechnischen Experimenten die Bedingungen ftir die störungsfreie Entnahme in Abhängigkeit von der Gutfeuchtigkeit/, dem Abriebanteil ma und der Lagerdauer ll ftir ein axialsymmetrisches Silo mit einem Trichterneigungswinkel zur Vertikalen von e = 2 und einem Entnahmedurchmesser von da = I 6 mm ermittelt [2]. Aus den Ergebnissen läßt sich folgende Regressionsgleichung formulieren: Mit Hilfe dieser Dimensionierungsrichtlinien ergeben sich ftir die Neigung der Trichterwände zur Vertikalen bei axialsymmetrischen Behältern und hohen Gutfeuchten sehr kleine Winkel. Bei keilförmigen Behältern sind die Winkel größer, d.h. die Neigung zur Horizontalen ist geringer (Tabelle 1 ). In der Praxis sollten aus Sicherheitsgründen etwa um 5 kleinere Winkel vorgesehen werden. 642,34 mazul= f -Ü,l9 f'--2j,99 (6) Das Bestimmtheitsmaß ftir diese Gleichung beträgt B =,96. Für eine Lagerdauer von 48 h erhält man das folgende Diagramm (Bild 4):

5 Agrartechnische Forschung 5 (1999) H. 2, S ~ t:: ü C>/ ~ 13 ~ -~.. 12 :s...;; ~ -'=: ~ ~ ;~ Abriebanteil Abrasioncontent Bild 4: Bedingungen für störungsfreies Ausfließen von Strohpellets aus einem axialsymmetrischen Silo in Abhängigkeit von Abriebanteil und Gutfeuchtigkeit bei einer Lagerdauer von 48 h (Trichterneigungswinkel zur Vertikalen: 2, Entnahmedurchmesser: 16 mm) Fig. 4: Conditions for uninterrupted discharge of straw pellets from an axially symmetrical silo as a function of abrasion component and moisture-content for a storage duration of 48 h (funnel angles of inclination to the vertical: 2, discharge diameter: 16 mm) 4 Dosierung Für die Dosierung von Biofestbrennstoffen in Verbrennungsanlagen sind Volumendosierer in der Regel ausreichend, wenn für gleichmäßiges Zufließen zu den Entnahme- und Dosierorganen gesorgt wird. Die geringsten Dosierfehler erhält man beim Einsatz von Dosierschnekken [3]. Wichtig ist, daß der systematische Fehler durch die Schüttdichte so klein wie möglich gehalten wird. Dann sind selbst unter Berücksichtigung von zufälligen Fehlern durch Schwankungen des Füllungsgrades der Schneckengänge und des Geschwindigkeitsbeiwertes Gesamtdosierfehler < 5% möglich. Da die ermittelten notwendigen Entnahmeöffnungen relativ groß sind, müssen bei der Schneckendosierung 2 oder 3 nebeneinanderliegende Schnecken vorgesehen werden. Es ist ferner darauf zu achten, daß das Fördervolumen in Förderrichtung stetig zunimmt. Damit wird bei der Entnahme aus Keiltrichtern gesichert, daß das Schüttgut über der gesamten Schlitzlänge dem Dosierorgan zufließt. Stegkettendosierer bieten sich ebenfalls für große Entnahmeöffnungen an. Sie haben in der Regel Dosierfehler > 5% [3]. Der zufällige Dosierfehler (Dosiergleichmäßigkeit) kann durch geringe Abstände der Stege oder entsprechende Gestaltung der Abwurfkante vermindert werden. Das Einstellen des Dosierstromes erfolgt mit Hilfe von Drehzahländerungen. Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Dosiermassestrom ist in der Regel linear. Der Variationskoeffizient des Dosiermassestromes wird vom Verhältnis der Dosierdauer zur Umdrehungsdauer der Schnecken beeinflußt [4]. Dies bedeutet, daß der zufällige Dosierfehler durch die Wahl kleiner Schnekkendurchmesser vermindert wird. 5 Schlußfolgerungen Der technische Aufwand für Lager- und Dosierbehälter zur Bevorratung von Biofestbrennstoffen läßt sich reduzieren, wenn die Dimensionierung auf der Grundlage der experimentell bestimmten Fließeigenschaften erfolgt. Für Holzhackschnitzel erhält man Entnahmeöffnungen, die Entnahmetechniken mit einem geringen technischen Aufwand ermöglichen. Der in der Praxis häufig anzutreffende hohe Aufwand für großflächige Untenentnahmesysteme kann auf diese Weise vermindert werden. Durch die Weiterentwicklung der Holz - Zerkleinerungstechnik muß angestrebt werden, daß die Hackschnitzel eine enge Korngrößenverteilung besitzen und nach Möglichkeit der Kugelform sehr nahe kommen. Pelletierte oder brikettierte Biofestbrennstoffe sollten Festigkeiten aufweisen, die nur einen minimal zulässigen Abrieb bei Transport- und Umschlagvorgängen garantieren. Neben den Vorteilen bei der Verbrennung ist ein geringer Abriebanteil Voraussetzung für die störungsfreie Entnahme und Dosierung. Formelverzeichnis PL <px f(<p) mazul f Schlitzbreite von Keiltrichtern Durchmesser = für b A, = I für da kritische einaxiale Druckfestigkeit bei Massenfluß Lagerungsdichte Wandreibungswinkel Trichterneigungswinkel zur Vertikalen 3 bis II (wird aus Diagrammen bestimmt) kritische axiale Druckfestigkeit bei Kernfluß zulässiger Abriebanteil [%] Gutfeuchtigkeit [%] Lagerdauer [h]

6 96 Ch. Fürll und Th. Schuricht Literatur [I] Fürll, Ch. : Lager. Kap., 6. in: Mührel, K.: Transport, Umschlag und Lagerung in der Landwirtschaft. Verlag Technik, Berlin 1983 (2] Fürll, Ch.: Lagern landwirtschaftlicher Schüttgüter in Behältern. Habilitationsschrift, Universität Rostock 1985 [3] Fürll, Ch. : Volumendosierer ftir die Futterverteilung von trockenen und feuchten Schüttgütern. Agrartechnik 4 (199) 12, S (4] Fürll, Ch., Scholz, V.: Spiralfürderer zur Entnahme aus Mischfuttersilos. Kraftfutter ( 1991) II, S