Entwicklung einer Pelletsstaub-Einblasfeuerung mit Zyklonbrennkammer Erarbeitung der Grundlagen

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Format: Buch
Sprache:German
Veröffentlicht: Wien Bundesmin. für Verkehr, Innovation und Technologie 2002
Schriftenreihe:Berichte aus Energie- und Umweltforschung 2003,6
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adam_text INHALTSVERZEICHNIS ZUSAMMENFASSUNG .......................................................................................................................................1 ABSTRACT............................................................................................................................................................3 1 EINLEITUNG................................................................................................................................................4 2 PROBLEMSTELLUNG UND ZIELSETZUNGEN...................................................................................5 3 LITERATURSTUDIE UEBER BIOMASSE-EINBLAS UND STAUBFEUERUNGEN..........................7 3.1 EINBLASFEUERUNG......................................................................................................................................7 3.1.1 URSPRUENGLICHE FORM DER EINBLASFEUERUNG.........................................................................................7 3.1.2 MUFFELEINBLASFEUERUNG........................................................................................................................8 3.1.3 EINBLASFEUERUNG MIT IMPLIZIERTER ZYKLONSTROEMUNG...........................................................................10 3.2 STAUBFEUERUNGEN (STAUBBRENNER) .....................................................................................................17 3.3 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND EMPFEHLUNGEN FUER DIE ENTWICKLUNG UND KONZEPTION EINER PELLET-STAUBFEUERUNG .............................................................................. ..........................................22 4 ENTWICKLUNG EINES ABBRANDMODELLS FUER KLEINE HOLZPARTIKEL .......................23 4.1 MATHEMATISCHE MODELLIERUNG DES ABBRANDS VON HOLZPARTIKELN ...............................................23 4.2 REAKTIONSMODELL...................................................................................................................................23 4.3 TROCKNUNG UND PYROLYSE.....................................................................................................................24 4.4 HETEROGENE VERBRENNUNG DES RESTKOHLENSTOFFES .........................................................................26 4.4.1 KONTROLLE DURCH STOFFUEBERGANG (REGIME III)....................................................................................29 4.4.2 KONTROLLE DURCH CHEMISCHE REAKTIONSGESCHWINDIGKEIT (REGIME I) ..................................................31 4.4.3 ABSCHAETZUNG DES VORHERRSCHENDEN REGIMES ....................................................................................32 4.5 UEBERLAPPUNG ZWISCHEN PYROLYSE UND RESTKOHLENSTOFFABBRAND .................................................33 4.6 HOMOGENE VERBRENNUNG DER GASPHASE .............................................................................................35 4.6.1 MISCHUNGSKONTROLLIERTES REGIME......................................................................................................35 4.6.2 REAKTIONSKINETISCH KONTROLLIERTES REGIME ........................................................................................36 4.6.3 VEREINFACHTES MODELL .......................................................................................................................36 4.7 BERECHNUNG DER PARTIKELABBRANDDAUER ..........................................................................................38 4.8 DARSTELLUNG UND DISKUSSION DER BERECHNUNGSERGEBNISSE............................................................39 4 . 8 . 2T R O C K N U N G U N D P Y R O L Y S E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 4 1 4 . 8 . 3H E T E R O G E N E V E R B R E N N U N G D E S R E S T K O H L E N S T O F F E S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 . 8 . 4H O M O G E N E V E R B R E N N U N G D E R G A S P H A S E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 4 . 8 . 5Z U S A M M E N F A S S U N G D E R B E R E C H N U N G S E R G E B N I S S E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 5P R UE F U N G D E R B E R E C H N U N G S M O D E L L E M I T T E L S M E S S E R G E B N I S S E N A U S E I N E R P I L O T - E I N B L A S F E U E R U N G S A N L A G E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 5 . 1V ERGLEICH DER ERGEBNISSE DER MODELLRECHNUNGEN MIT REALDATEN AUS EINER PILOT-LABOR- FEUERUNGSANLAGE .................................................................................................................................64 5.1.1 RAHMENBEDINGUNGEN DER VERSUCHSLAEUFE ..........................................................................................64 5.1.2 VERGLEICH DER MODELLRECHNUNGEN MIT DEN EXPERIMENTELLEN ERGEBNISSEN AN DER PILOTANLAGE..........68 5.2 VERGLEICH DER ERGEBNISSE DER MODELLRECHNUNG MIT DEN ERGEBNISSEN DER LABORREAKTORVERSUCHE ......................................................................................................................75 5.3 VERGLEICH DER MODELLRECHNUNGEN FUER DIE GASPHASE MIT DEN MESSUNGEN AN DER PILOTFEUERUNG .......................................................................................................................................78 5.4 BEWERTUNG DER MODELLRECHNUNGEN IM VERGLEICH MIT DEN EXPERIMENTELLEN ERGEBNISSEN.......79 6 ZUSAMMENFASSUNG, SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK..........................................80 7 LITERATURNACHWEIS .........................................................................................................................83 ABBILDUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNG 1-1: ENTWICKLUNG DER HACKGUT- UND PELLETSHEIZUNGEN IN OESTERREICH, HACKSCHNITZELHEIZUNGSERHEBUNG 1987 * 2001 DER NOE LANDWIRTSCHAFTSKAMMER......................4 ABBILDUNG 3-1: EINBLASFEUERUNG - HISTORISCHES KONZEPT ....................................................................................8 ABBILDUNG 3-2: MUFFELEINBLASFEUERUNG * HISTORISCHES KONZEPT .........................................................................9 ABBILDUNG 3-3: WEITERENTWICKELTE MUFFELEINBLASFEUERUNG (MAWERA) ...............................................................9 ABBILDUNG 3-4: ZYKLONEINBLASFEUERUNG MIT TANGENTIALER EINBLASUNG...............................................................11 ABBILDUNG 3-5: ZYKLONEINBLASFEUERUNG MIT ZENTRISCHER EINBLASUNG UND NACHVERBRENNUNGSZONE...................12 ABBILDUNG 3-6: ZYKLONEINBLASFEUERUNG MIT ZENTRISCHER EINBLASUNG * SCHEMATISCHE DARSTELLUNG....................12 ABBILDUNG 3-7: ZYKLON-EINBLASFEUERUNG MIT GLIEDERKOPFGEBLAESE ...................................................................13 ABBILDUNG 3-8: ZWEISTUFIGE ZYKLON-BRENNKAMMER FUER HOLZSTAUB * OESTERREICHISCHE ENTWICKLUNG .................15 ABBILDUNG 3-9: ZWEISTUFIGE ZYKLON-BRENNKAMMER FUER HOLZSTAUB - SCHWEDISCHE ENTWICKLUNG......................16 ABBILDUNG 3-10: FUNKTIONSPRINZIP DES STAUBBRENNERS .......................................................................................18 ABBILDUNG 3-11: MEHR- UND STOFFWECHSELBRENNER *OGSTFA*..........................................................................19 ABBILDUNG 3-12: CK-STAUBBRENNER.....................................................................................................................20 ABBILDUNG 3-13: VERSUCHSBRENNKAMMER MIT STAUBBRENNER * UNIVERSITAET STUTTGART ...........................................21 ABBILDUNG 4-1: ENTGASUNG DES EINZELPARTIKELS NACH DEM *SHRINKING CORE EXTENDED MODEL* (SCEM)..........24 ABBILDUNG 4-2: ZWEIFILM-MODELL .....................................................................................................................33 ABBILDUNG 4-3: FLUSSDIAGRAMM ZUR BERECHNUNG DER ABBRANDDAUER ................................................................38 ABBILDUNG 4-4: KRITISCHER RADIUS RC IN ABHAENGIGKEIT DER PARTIKELTEMPERATUR.................................................40 ABBILDUNG 4-5: KRITISCHER RADIUS RC IN ABHAENGIGKEIT VOM SAUERSTOFFPARTIALDRUCK.........................................40 ABBILDUNG 4-6: KRITISCHER RADIUS RC IN ABHAENGIGKEIT VOM STOECHIOMETRISCHEM FLUECHTIGEN-/SAUERSTOFF- VERHAELTNIS ................................................................................................................................41 ABBILDUNG 4-7: DAUER DER PYROLYSE IN ABHAENGIGKEIT DER TEMPERATUR..............................................................42 ABBILDUNG 4-8: DAUER DER PYROLYSE IN ABHAENGIGKEIT DER RELATIVGESCHWINDIGKEIT ZWISCHEN DER PARTIKELOBERFLAECHE UND DER RAUCHGASE ....................................................................................43 ABBILDUNG 4-9: DAUER DER PYROLYSE IN ABHAENGIGKEIT VOM SAUERSTOFFPARTIALDRUCK...........................................44 ABBILDUNG 4-10: ABSCHAETZUNG DES VORHERRSCHENDEN REGIMES BEI VERSCHIEDENEN TEMPERATUREN ......................45 ABBILDUNG 4-11: ABSCHAETZUNG DES VORHERRSCHENDEN REGIMES BEI VERSCHIEDENEN O2-GEHALTEN.........................46 ABBILDUNG 4-12: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI DIFFUSIONSKONTROLLIERTEM REGIME IN ABHAENGIGKEIT DER TEMPERATUR * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 5 MM ......................................................................48 ABBILDUNG 4-13: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI DIFFUSIONSKONTROLLIERTEM REGIME IN ABHAENGIGKEIT DES O2-GEHALTES * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 5 MM .....................................................................49 ABBILDUNG 4-14: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI DIFFUSIONSKONTROLLIERTEM REGIME IN ABHAENGIGKEIT DER RELATIVGESCHWINDIGKEIT ZWISCHEN DER PARTIKELOBERFLAECHE UND DER RAUCHGASE * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 5 MM...................................................................................................50 ABBILDUNG 4-15: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI DIFFUSIONSKONTROLLIERTEM REGIME IN ABHAENGIGKEIT DER TEMPERATUR * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 1,5 MM ...................................................................51 ABBILDUNG 4-16: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI DIFFUSIONSKONTROLLIERTEM REGIME IN ABHAENGIGKEIT DES O2-GEHALTES * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 1,5 MM ..................................................................52 ABBILDUNG 4-17: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI DIFFUSIONSKONTROLLIERTEM REGIME IN ABHAENGIGKEIT DER RELATIVGESCHWINDIGKEIT ZWISCHEN DER PARTIKELOBERFLAECHE UND DER RAUCHGASE * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 1,5 MM................................................................................................53 ABBILDUNG 4-18: VERGLEICH DER PARAMETER ZUR BERECHNUNG DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI KINETISCHER KONTROLLE IN ABHAENGIGKEIT DER TEMPERATUR (BEI 800 C) ........................................................55 ABBILDUNG 4-19: VERGLEICH DER PARAMETER ZUR BERECHNUNG DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI KINETISCHER KONTROLLE IN ABHAENGIGKEIT DER TEMPERATUR (BEI 1.400 C) .....................................................55 ABBILDUNG 4-20: VERGLEICH DER PARAMETER ZUR BERECHNUNG DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI KINETISCHER KONTROLLE IN ABHAENGIGKEIT VOM O2-GEHALT (BEI 5 KPA) ...........................................................55 ABBILDUNG 4-21: VERGLEICH DER PARAMETER ZUR BERECHNUNG DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI KINETISCHER KONTROLLE IN ABHAENGIGKEIT VOM O2-GEHALT (BEI 17 KPA) .........................................................56 ABBILDUNG 4-22: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI KINETISCHER KONTROLLE IN ABHAENGIGKEIT DER TEMPERATUR * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 5 MM ............................................................................57 ABBILDUNG 4-23: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI KINETISCHER KONTROLLE IN ABHAENGIGKEIT VOM O2- GEHALT * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 5 MM ....................................................................................58 ABBILDUNG 4-24: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI KINETISCHER KONTROLLE IN ABHAENGIGKEIT DER TEMPERATUR * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 1,5 MM ........................................................................59 ABBILDUNG 4-25: DAUER DES HOLZKOHLENABBRANDES BEI KINETISCHER KONTROLLE IN ABHAENGIGKEIT VOM O2- GEHALT * BRENNSTOFF-KORNGROESSE 1,5 MM .................................................................................60 ABBILDUNG 4-26: DAUER DES CO-ABBAUES IM RAUCHGAS BEI MISCHUNGSKONTROLLIERTEM REGIME IN ABHAENGIGKEIT DER MISCHUNGSRATE.............................................................................................61 ABBILDUNG 4-27: DAUER DES CO -ABBAUES IM RAUCHGAS BEI KINETISCHER KONTROLLE IN ABHAENGIGKEIT DER RAUCHGASTEMPERATUREN ............................................................................................................62 ABBILDUNG 5-1: VERGLEICH DER MODELLRECHNUNGSERGEBNISSE DER PARTIKELABBRANDBERECHNUNG IN ABHAENGIGKEIT DER RELATIVGESCHWINDIGKEIT AN DER PARTIKELOBERFLAECHE MIT REALDATEN AUS MESSUNGEN AN DER VERSUCHSANLAGE * KONTROLLE DURCH STOFFUEBERGANG ....................................73 ABBILDUNG 5-2: VERGLEICH DER MODELLRECHNUNGSERGEBNISSE DER PARTIKELABBRANDBERECHNUNG IN ABHAENGIGKEIT DES O2-GEHALTES MIT REALDATEN AUS MESSUNGEN AN DER VERSUCHSANLAGE - DIFFUSIONSKONTROLLE..................................................................................................................74 ABBILDUNG 5-3: VERGLEICH DER MODELLRECHNUNGSERGEBNISSE DER PARTIKELABBRANDBERECHNUNG IN ABHAENGIGKEIT DER TEMPERATUR MIT REALDATEN AUS MESSUNGEN AN DER VERSUCHSANLAGE - DIFFUSIONSKONTROLLE..................................................................................................................75 ABBILDUNG 5-4: FREISETZUNG DER C-KOMPONENTEN ALS FUNKTION DER ZEIT WAEHREND EINES ABBRANDVERSUCHES IM LABORREAKTOR ........................................................................................76 ABBILDUNG 5-5: ZUENDZEITPUNKT UND START DES HOLZKOHLEABBRANDS ALS FUNKTION DER DURCHSTROEMUNG (A) UND DES O2-GEHALTES (B) IM DURCHSTROEMENDEN GASGEMISCH....................................................77 ABBILDUNG 5-6: MASSENABBAU ALS FUNKTION DER ZEIT BEI VERSCHIEDENEN LEERROHRGESCHWINDIGKEITEN DER VERBRENNUNGSLUFT AM EINTRITTSQUERSCHNITT IN DIE SCHUETTSCHICHT...............................................77 ABBILDUNG 5-7: VERGLEICH DER MODELLRECHNUNGSERGEBNISSE MIT REALDATEN AUS MESSUNGEN AN DER VERSUCHSANLAGE FUER DIE GASPHASEN-VERBRENNUNG ...................................................................78 TABELLENVERZEICHNIS TABELLE 3-1: ZUSAMMENSTELLUNG VON VOR- UND NACHTEILEN DER MUFFELEINBLASFEUERUNG.................................10 TABELLE 3-2: ZUSAMMENSTELLUNG DER VOR- UND NACHTEILE VON FEUERUNGEN MIT ZYKLON-BRENNKAMMER..........14 TABELLE 3-3: ZUSAMMENSTELLUNG DER VOR- UND NACHTEILE VON STAUBFEUERUNGEN MIT ZWEISTUFIGER ZYKLON-BRENNKAMMER................................................................................................................17 TABELLE 3-4: ZUSAMMENSTELLUNG DER VOR- UND NACHTEILE VON STAUBBRENNERN................................................22 TABELLE 4-1: REAKTIONSKINETISCHE PARAMETER FUER DIE PYROLYSE VON HOLZ UND HOLZBESTANDTEILEN ...................25 TABELLE 4-2: BRENNSTOFFSPEZIFISCHE PARAMETER ZUR BERECHNUNG DER PYROLYSEDAUER .......................................26 TABELLE 4-3: ZUSAMMENSETZUNG UND DICHTE VON BUCHEN-, WEICHHOLZ- UND SPANPLATTENSPAENEN...................28 TABELLE 4-4: DIFFUSIONSKOEFFIZIENT FUER SAUERSTOFF BEI BEZUGSDRUCK UND *TEMPERATUR ...................................30 TABELLE 4-5: REAKTIONSKINETISCHE PARAMETER DES KOHLENSTOFFABBRANDES........................................................32 TABELLE 4-6: BERECHNUNGSERGEBNIS DES STOECHIOMETRISCHEN BRENNSTOFF-/SAUERSTOFF-VERHAELTNIS BZW. FLUECHTIGEN-/SAUERSTOFF-VERHAELTNIS FUER BUCHE, WEICHHOLZ UND SPANPLATTEN...............................35 TABELLE 4-7: REAKTIONSKINETISCHE PARAMETER DER CO-VERBRENNUNG ...............................................................37 TABELLE 4-8: ZUSAMMENFASSUNG DER MODELLRECHNUNGSERGEBNISSE FUER BUCHE, WEICHHOLZ UND SPANPLATTEN - BRENNSTOFF-PARTIKELDURCHMESSER VON 1,5 MM UND 5 MM .....................................63 TABELLE 5-1: KONSTANTEN ZUR BERECHNUNG DES ABGASVERLUSTES NACH BIMSCHV..............................................66 TABELLE 5-2: BRENNSTOFFDATEN FUER FICHTE UND HOLZKOHLE FUER DEN VERGLEICH MODELLBERECHNUNGEN * MESSUNGEN AN DER PILOT-FEUERUNG .............................................................................................67 TABELLE 5-3: KORNGROESSENVERTEILUNG DER FUER TESTLAEUFE VERWENDETEN BRENNSTOFF-PROBEN-QUALITAET BQ_1 UND BQ_2...................................................................................................................................68 TABELLE 5-4: BERECHNUNG DER HOLZSTAUBABSCHEIDEFFIZIENZ DER ZYKLONFEUERUNG FUER DIE EINZELNEN TESTLAEUFE ....................................................................................................................................69 TABELLE 5-5: STOFF- UND ENERGIEBILANZEN DER TESTLAEUFE TL1 BIS TL5.............................................................70 TABELLE 5-6: STOFF- UND ENERGIEBILANZEN DER TESTLAEUFE TL6 BIS TL9.............................................................71 TABELLE 5-7: BERECHNUNG DER PARTIKEL- BZW. GASVERWEILZEITEN......................................................................72
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