Verschmutzungen und Verschlackungen von Wärmeübertragern durch Asche können zu erheblichen Problemen bei der Energiegewinnung aus Festbrennstoffen führen. Dabei verringern Ascheablagerungen die Anlageneffizienz und sind häufig Ursache von Kraftwerksabschaltungen. Ascheseitige Probleme sind gerade bei biogenen Brennstoffen wie Stroh oder Reststoffen der limitierende Faktor und zwingen den Betreiber zu niedrigen Frischdampftemperaturen und bewirken somit einen verringerten Wirkungsgrad. Die vorliegende Dissertation befasst sich sowohl mit experimentellen als auch theoretischen Untersuchungen zur Vorhersage von Brennstoffumsatz, Aschebildung und Ascheablagerung. Gegenwärtig sind numerische Methoden wie beispielsweise die Strömungssimulation nicht in der Lage, diese Vorgänge im Detail zu beschreiben.
Grundlage eines aussagekräftigen Modells ist eine genaue Kenntnis des Brennstoffs, weshalb detaillierte Untersuchungen zu anorganischen Bestandteilen im gemahlenen Brennstoff durchgeführt werden. Mittels Rasterelektronenmikroskopie wird die Verteilung und Zusammensetzung mineralischer Phasen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen eine sehr ungleichmäßige Verteilung von Mineraleinschlüssen, wobei insgesamt nur wenige Brennstoffpartikel solche Einschlüsse aufweisen. Weiterhin ist der Anteil an Partikeln mit keiner oder wenig organischer Substanz beträchtlich. Die gewonnenen Daten werden genutzt, um ein Mineralienverteilungsmodell zu erstellen. Dabei wird eine Gauß'sche Normalverteilung der Mineralsubstanz pro Brennstoffpartikel für verschiedene Partikelgrößen verwendet. Das Modell wird in den CFD-Code implementiert und berechnete Ergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung gegenüber einer gleichmäßigen Verteilung der Mineralphasen auf injizierte Partikel.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Vorhersage der Brennstoffausnutzung. Der Restkohlenstoffgehalt in der Asche, auch Restkoks genannt, sollte aus wirtschaftlichen Gründen so gering als möglich sein. Daher wird ein detailliertes Koksabbrandmodell weiterentwickelt und mittels Messdaten validiert. Das Modell basiert auf Messdaten zur Reaktivität von vier Brennstoffen, darunter zwei vorbehandelte Biomassen. Die Kinetik von Verbrennungs- und Vergasungsreaktionen wird anhand von realitätsnahen und mit hohen Heizraten erzeugten Koksproben gemessen. Weiterhin werden Partikeleigenschaften wie beispielsweise die Material- und Partikeldichte, die Porosität, die spezifische Oberfläche und die Partikelgrößenverteilung ermittelt. Diese Daten dienen zum Teil als Ausgangsgrößen, als auch zur Validierung des Modells. Das Modell ist in der Lage den Brennstoffumsatz gut vorherzusagen und eignet sich daher zum Auslegen von Feststofffeuerungen. Zudem zeigt sich, dass Vergasungsreaktionen mit Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf nicht vernachlässigt werden dürfen. Sie sind beispielsweise je nach Brennstoff für 15 bis 20 % des Umsatzes bei 1300 °C und stöchiometrischen Bedingungen verantwortlich.
Sowohl das Mineralverteilungs- als auch das Koksabbrandmodell sind nötig um die Aschegrößen- und Partikeldichte-Verteilung vorherzusagen. Es ist bekannt, dass beide Größen maßgeblich die Ablagerung eines Partikels auf Heizflächen beeinflussen. Das Ascheablagerungsverhalten, auch Verschmutzungs- und Verschlackungsverhalten genannt, wird anhand von Versuchen an einem Flugstromreaktor untersucht. Die Versuchsergebnisse wiederum dienen der Validierung numerischer Modelle. Dazu wird ein Partikelhaftkriterium entwickelt, das auf der Viskosität und der kinetischen Energie eines Partikels beim Aufprall basiert. Das Haftkriterium wird mit Hilfe von Glaspartikelversuchen validiert und mit einem mechanistischen Modell, basierend auf Energieerhaltungsgleichungen, erklärt. Gemessene Depositionsraten stimmen gut mit Vorhersagen der Simulation überein und bestätigen den gewählten Ansatz. Zusätzlich wird ein Depositionswachstumsmodell entwickelt und mit Messdaten verglichen. Das Gesamtmodell ist in der Lage, das Schichtwachstum, dessen chemische Zusammensetzung und Struktureigenschaften vorherzusagen.
Abschließend werden CFD-Simulationen zur Hilfe genommen, um Depositionen aus Kraftwerksmessungen zu erklären. Dazu wird die sogenannte "Large Eddy Simulation" für einen umströmten Zylinder genutzt. Es kann gezeigt werden, dass die Ablagerung von kleinen, aluminosilikatischen Partikeln auf den Temperaturgradienten in der wandnahen Grenzschicht zurückzuführen ist. Weiterhin wird die kinetische Energie der Partikel komplett dissipiert und steht somit nicht für den Rückstoß zur Verfügung. Die Vorhersagen erklären außerdem den hohen Eisenanteil in der Ablagerung durch niederviskose Eutektika. Ein auf Stoffübertragungsgleichungen basierendes, heterogenes Kondensationsmodell zeigt, dass für die verwendete Depositionssonde Kondensations-effekte eine untergeordnete Rolle spielen. Insgesamt liefern die Modelle vielversprechende Ergebnisse, die eine Anwendung und Validierung für weitere Brennstoffe wie beispielsweise Biomassen nahelagen.
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