Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur thermochemischen Umwandlung von biogenen Einsatzstoffen, insbesondere von Reststoffen wie z.B. Klärschlamm (KS). Das Verfahren soll dezentral, d.h. im Leistungsbereich von 100 – 1.000 kW Feuerungswärmeleistung, und zur Bereitstellung elektrischer Energie eingesetzt werden. Für diese Anforderungen ist beim Stand der Technik kein Verfahren verfügbar.
In dieser Arbeit werden die verfahrenstechnischen Zusammenhänge und brennstoffspezifischen Anforderungen analysiert und daraus ein Verfahren abgeleitet, welches für das angestrebte Ziel eingesetzt werden kann. Dieses Verfahren besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen, 1. der Brennstoffumwandlung (Thermo-Chemical-Conversion) auf einem Druck von ca. 3 bar abs. und 2. einem Kraftprozess (Turbo-Compound-Concept). Der erste Verfahrensteil setzt sich aus einer Druck-Wirbelschichtvergasung zur thermochemischen Umsetzung des Brennstoffes, einem Zyklon zur Staubabscheidung und einer nachgeschalteten Druck-Brennkammer zur Verbrennung des Vergasungsgases zusammen. Der zweite Teil beinhaltet als Kraftprozess ein Turbo-Compound-Concept zur Bereitstellung elektrischer Energie, welches thermodynamisch dem Gasturbinenprozess gleicht. Das Verfahren zeichnet sich im Vergleich zum Stand der Technik durch seine Eignung für ein breites Brennstoffspektrum, insbesondere für „schwierige“ Einsatzstoffe (z.B. niedrige Ascheschmelztemperatur), aus. Dies wird durch die Ausgestaltung des Verfahrens in Stufen, die eingesetzten Apparate und die Robustheit der gewählten Kraftmaschine erreicht.
Das hergeleitete Verfahren wird mittels Masse-, Stoff- und Energiebilanzen für die Referenzbrennstoffe KS und Holzhackschnitzel (HHS) untersucht, sowohl hinsichtlich des thermodynamischen Potentials (verlustfrei) als auch hinsichtlich real erwartbarer Leistungsdaten durch die Einbeziehung wesentlicher Verluste. In Verfahrensvarianten werden die Abwärmenutzung zur Reaktionsgasvorwärmung, die Abwärmenutzung zur Brennstoffvorbehandlung von Klärschlamm, der Einsatz eines inversen Gasturbinenprozesses und die Anhebung der Turbineneintrittstemperatur analysiert. Im Ergebnis liegt der elektrische Nettowirkungsgrad der Basisvariante unter Berücksichtigung von Verlusten bei ca. 9 % für KS und kann auf bis zu ca. 18 % durch Wärmerückführung zur Reaktionsgasvorwärmung und durch Anheben der Turbineneintrittstemperatur gesteigert werden. Des Weiteren wird speziell für KS gezeigt, dass der Wärmebedarf für dessen Vorbehandlung durch die Abwärme des Verfahrens bilanziell vollständig gedeckt werden kann. Das Ergebnis des inversen Gasturbinenprozesses als Vergleichsprozess hingegen ist, dass damit der elektrische Eigenbedarf die elektrische Bruttoleistung übersteigt und somit keine elektrische Nettoleistung bereitgestellt wird.
Als praktischer Schritt zur Entwicklung und Realisierung des Verfahrens wird eine Versuchsanlage im Demonstrationsmaßstab entwickelt und in Betrieb genommen. Bei den experimentellen Untersuchungen liegt in dem hier gesteckten Rahmen der Schwerpunkt auf dem ersten Teil des Verfahrens, der Brennstoffumwandlung unter annähernd atmosphärischen Bedingungen, ohne dass hierbei bereits eine Optimierung in Richtung der NOX-Emissionen vorgesehen ist. Die experimentellen Untersuchungen in dieser Arbeit haben allein das Ziel, die Funktionsweise der Brennstoffumwandlung nachzuweisen. Für die Optimierung sind an der Versuchsanlage ausreichend Möglichkeiten für Primärmaßnahmen zur Minimierung von NOX-Emissionen vorgesehen. Vor dem Hintergrund der Zielstellung verliefen die experimentellen Untersuchungen alle erfolgreich. Im Ergebnis zeigen sich ein stabiler Wirbelschichtbetrieb und dadurch bedingt homogene Verläufe von Temperaturen und Vergasungsgaszusammensetzungen. Die Ascheanalyse zeigt mit nur 3 Ma.-% Glühverlust beim Einsatz von KS einen besseren Brennstoffumsatz im Vergleich zu kommerziellen Großanlagen mit KS-Vergasung. Durch die erfolgreichen experimentellen Untersuchungen zum ersten Teil des Verfahrens, der Brennstoffumwandlung, ist ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung und Realisierung des Gesamtverfahrens geleistet worden.
Im Weiteren muss die Optimierung für die NOX-Emissionen und die Ankopplung des Kraftprozesses im Nenndruckbetrieb erfolgen. Hieraus werden ggf. eine konstruktive Anpassung des Turbinenapparates und die Entwicklung von Regelabhängigkeiten für den kombinierten Betrieb beider Teilverfahren notwendig. Die Versuchsanlage ist für einen Überdruckbetrieb zugelassen und kann somit für zukünftige Versuche mit dem zweiten Verfahrensteil eingesetzt werden. Da die Versuchsanlage im Nennbetrieb unter Druck für eine Feuerungswärmeleistung von 230 kW ausgelegt ist, muss sie für eine kommerzielle Anlage nicht skaliert werden.:Abstract I
Kurzzusammenfassung III
Danksagung V
Formelzeichen IX
Indizes X
Abkürzungsverzeichnis XI
Abbildungsverzeichnis XIII
Tabellenverzeichnis XVI
1 Einleitung 1
1.1 Zielsetzung 1
1.2 Aufbau der Arbeit 1
1.3 Übergeordnete Relevanz für den Einsatzstoff Klärschlamm 2
2 Stand der Technik 3
2.1 Biogene Einsatzstoffe 3
2.2 Brennstoffvorbehandlung 4
2.2.1 Herstellung von Holzhackschnitzeln und Holzpellets 5
2.2.2 Klärschlammvorbehandlung mittels Faulung und Hydrothermaler Carbonisierung (HTC) 7
2.2.3 Klärschlammtrocknung mit Brüdenverdichtung 14
2.2.4 Zusammenfassung zur Brennstoffvorbehandlung 18
2.3 Vergasung biogener Einsatzstoffe 18
2.3.1 Bilanzierung eines Verfahrens mit Holzpellets 21
2.3.2 Bilanzierung eines Verfahrens mit Holzhackschnitzeln 25
2.3.3 Vergleich der zwei Beispielverfahren 28
2.3.4 Thermochemische Umwandlung von Klärschlamm 29
2.3.5 Zusammenfassung zum Stand der Technik von Vergasungsverfahren biogener Einsatzstoffe 30
3 Entwicklung des Verfahrens 31
3.1 Anforderungen an das Verfahren 31
3.2 Verfahrenshypothese 34
3.3 Herleitung des Verfahrens 36
3.3.1 Wahl des Kraftprozesses 36
3.3.2 Stufung des thermochemischen Umwandlungsverfahrens 40
3.3.3 Wahl der Apparate 42
3.4 Zusammenfassung zur Entwicklung des Verfahrens 45
4 Theoretische Untersuchung des Verfahrens 46
4.1 Bilanzierung des Verfahrens (Basisvariante) 46
4.1.1 Referenzbrennstoffe 48
4.1.2 Bilanzierungsmethode und Annahmen 49
4.1.3 Thermodynamisches Potential des Verfahrens 55
4.1.4 Verlustbehaftete Bilanzierung des Verfahrens 59
4.1.5 Detailergebnis zur Prozessberechnung des Turbo-Compound-Concept 65
4.2 Untersuchung von Verfahrensvarianten 67
4.2.1 Wärmerückgewinnung zur Reaktionsgasvorwärmung 67
4.2.2 Deckung des Energiebedarfs zur Brennstoffvorbehandlung 75
4.2.3 Inverser Gasturbinenprozess 78
4.3 Ergebniszusammenfassung der untersuchten Verfahrensvarianten 83
4.4 Einordnung des Verfahrens in den Stand der Technik 86
5 Experimentelle Untersuchungen 88
5.1 Versuchsanlage 88
5.2 Ergebnisse zur experimentellen Untersuchung der Brennstoffumwandlung 91
5.3 Zusammenfassung zu den experimentellen Untersuchungen 103
5.4 Optimierungspotential zum Turbo-Compound-Concept 104
6 Betrachtungen zu Transport- und Entsorgungskosten 110
7 Zusammenfassung und Ausblick 114
Anhang 120
A.1 Zum Stand der Technik 120
A.1.1 Übersicht realisierter KWK-Anlagen im dezentralen Bereich 120
A.1.2 Möglichkeiten zur Wasserentfernung aus Klärschlamm 124
A.2 Erläuterungen Zum Bilanzierungsmodell 127
A.2.1 Stoff- und Energiebilanzen 127
A.2.2 Verzweigungs- und Sammelstellen in der Bilanz 128
A.2.3 Strom/Werteübergabe für Masse und Energie in Stromflussrichtung 129
A.2.4 Reaktionen und Reaktionsenthalpien 130
A.2.5 Vergleich der Vergasungsgaszusammensetzung je nach Berechnung 131
A.3 Brennstoffeigenschaften 134
A.3.1 Analysemethoden 134
A.3.2 Vergleich verschiedener Brennstoffe 134
A.4 Zu den experimentellen Ergebnissen der Brennstoffumwandlung 138
A.4.1 Betriebsart Verbrennung in der Wirbelschicht (λ>1) 138
A.4.2 Betriebsart Vergasung in der Wirbelschicht (λ<1) 140
A.4.3 Brennkammer der Versuchsanlage, Luftzahlen und Verweilzeiten 142
A.5 Zum Turbo-Compound-Concept 145
A.5.1 Daten des Versuchsanlagen-TCS 145
A.5.2 Weitere Bilanzierungsannahmen zum Optimierungspotential des Turbo-Compound-Concept 146
Literaturverzeichnis 148 / The objective of this work is the development of a process for a thermochemical conversion of biogenic input materials, especially residuals like sewage sludge. This process targets a decentralized application, i.e. a power range of 100 – 1.000 kW thermal input, and the provision of electrical power. Considering the state of the art, there is no process available for those requirements.
This work analyzes the correlations concerning process engineering and combustible-specific requirements in order to derive a process which can be utilized for the pursued goal. This process mainly consists of two stages – first, a fuel conversion (Thermo-Chemical Conversion) under 3 bar pressure abs. and, second, a power process (Turbo-Compound-Concept). The first stage of the process is composed of a pressurized fluidized bed gasification to convert the combustibles, a cyclone for dust separation and a downstream pressurized combustion chamber for the combustion of the gasification gas. For the provision of electrical energy, the second stage contains a turbo-compound-concept as power process which is thermodynamically identical to the gas turbine process. Compared to the state of the art the process is characterized by its suitability for a broad range of combustibles, especially for „difficult“ input materials (e.g. low ash melting temperature). This is achieved by the staged design of the process, the utilized devices and the durability of the chosen engine.
The deduced process is analyzed by using energy, mass and material balances for the reference combustibles sewage sludge and woodchips, regarding their thermodynamic potential (loss-free), as well as realistically anticipated performance data considering major losses. In several process variations, the waste heat utilization for preheating the reaction gas and pretreating sewage sludge, the application of an inverted gas turbine process and the increase of the turbine inlet temperature are analyzed. The results show an electrical net efficiency of about 9 % for the standard process version using sewage sludge and in consideration of losses. This can be increased up to 18 % by an economizer for preheating the reaction gas and by raising the turbine inlet temperature. Furthermore, it is shown especially for sewage sludge that the waste heat of the process is able to cover the heat demand for the pretreatment. The result of the inverse gas turbine process as comparative process points out, though, that the auxiliary power consumption exceeds the gross electrical power and, therefore, no electrical net output can be provided.
As a practical step towards developing and realizing the process, a pilot-scaled test plant is designed and put into operation. Within the set goal, the main focus concerning the experimental investigations is on the first process stage, the conversion of combustibles under close-to-atmospheric conditions, without taking into account an optimization regarding NOx emissions yet. The experimental tests in this work aim to prove the functionality of the fuel conversion only. For the optimization of NOx emissions, sufficient options of primary measures are implemented at the test plant. Concerning the objective of this work, all tests were carried out successfully. The results show a stable operation of the fluidized bed inducing homogeneous progressions of temperatures and gasification gas compositions. With an ignition loss of only about 3 % by weight when using sewage sludge the ash analysis shows a better net burning rate compared to commercial large-scale plants for sewage sludge gasification. The successful examination of the first process stage, the combustible conversion, significantly contributed to the development and realization of the process as a whole.
Furthermore, an optimization of NOx emissions as well as the coupling of the power process under nominal pressure conditions (3 bar abs.) need to be examined. Thereof it could become necessary to adapt the design of the turbine device and also to develop process control dependencies for a combined operation of both process stages. The pilot plant is approved for overpressure mode and, therefore, can be used for future tests of the second process stage. It is not necessary to scale the pilot plant for commercial application as it is designed for a nominal thermal input of 230 kW while operating under pressure.:Abstract I
Kurzzusammenfassung III
Danksagung V
Formelzeichen IX
Indizes X
Abkürzungsverzeichnis XI
Abbildungsverzeichnis XIII
Tabellenverzeichnis XVI
1 Einleitung 1
1.1 Zielsetzung 1
1.2 Aufbau der Arbeit 1
1.3 Übergeordnete Relevanz für den Einsatzstoff Klärschlamm 2
2 Stand der Technik 3
2.1 Biogene Einsatzstoffe 3
2.2 Brennstoffvorbehandlung 4
2.2.1 Herstellung von Holzhackschnitzeln und Holzpellets 5
2.2.2 Klärschlammvorbehandlung mittels Faulung und Hydrothermaler Carbonisierung (HTC) 7
2.2.3 Klärschlammtrocknung mit Brüdenverdichtung 14
2.2.4 Zusammenfassung zur Brennstoffvorbehandlung 18
2.3 Vergasung biogener Einsatzstoffe 18
2.3.1 Bilanzierung eines Verfahrens mit Holzpellets 21
2.3.2 Bilanzierung eines Verfahrens mit Holzhackschnitzeln 25
2.3.3 Vergleich der zwei Beispielverfahren 28
2.3.4 Thermochemische Umwandlung von Klärschlamm 29
2.3.5 Zusammenfassung zum Stand der Technik von Vergasungsverfahren biogener Einsatzstoffe 30
3 Entwicklung des Verfahrens 31
3.1 Anforderungen an das Verfahren 31
3.2 Verfahrenshypothese 34
3.3 Herleitung des Verfahrens 36
3.3.1 Wahl des Kraftprozesses 36
3.3.2 Stufung des thermochemischen Umwandlungsverfahrens 40
3.3.3 Wahl der Apparate 42
3.4 Zusammenfassung zur Entwicklung des Verfahrens 45
4 Theoretische Untersuchung des Verfahrens 46
4.1 Bilanzierung des Verfahrens (Basisvariante) 46
4.1.1 Referenzbrennstoffe 48
4.1.2 Bilanzierungsmethode und Annahmen 49
4.1.3 Thermodynamisches Potential des Verfahrens 55
4.1.4 Verlustbehaftete Bilanzierung des Verfahrens 59
4.1.5 Detailergebnis zur Prozessberechnung des Turbo-Compound-Concept 65
4.2 Untersuchung von Verfahrensvarianten 67
4.2.1 Wärmerückgewinnung zur Reaktionsgasvorwärmung 67
4.2.2 Deckung des Energiebedarfs zur Brennstoffvorbehandlung 75
4.2.3 Inverser Gasturbinenprozess 78
4.3 Ergebniszusammenfassung der untersuchten Verfahrensvarianten 83
4.4 Einordnung des Verfahrens in den Stand der Technik 86
5 Experimentelle Untersuchungen 88
5.1 Versuchsanlage 88
5.2 Ergebnisse zur experimentellen Untersuchung der Brennstoffumwandlung 91
5.3 Zusammenfassung zu den experimentellen Untersuchungen 103
5.4 Optimierungspotential zum Turbo-Compound-Concept 104
6 Betrachtungen zu Transport- und Entsorgungskosten 110
7 Zusammenfassung und Ausblick 114
Anhang 120
A.1 Zum Stand der Technik 120
A.1.1 Übersicht realisierter KWK-Anlagen im dezentralen Bereich 120
A.1.2 Möglichkeiten zur Wasserentfernung aus Klärschlamm 124
A.2 Erläuterungen Zum Bilanzierungsmodell 127
A.2.1 Stoff- und Energiebilanzen 127
A.2.2 Verzweigungs- und Sammelstellen in der Bilanz 128
A.2.3 Strom/Werteübergabe für Masse und Energie in Stromflussrichtung 129
A.2.4 Reaktionen und Reaktionsenthalpien 130
A.2.5 Vergleich der Vergasungsgaszusammensetzung je nach Berechnung 131
A.3 Brennstoffeigenschaften 134
A.3.1 Analysemethoden 134
A.3.2 Vergleich verschiedener Brennstoffe 134
A.4 Zu den experimentellen Ergebnissen der Brennstoffumwandlung 138
A.4.1 Betriebsart Verbrennung in der Wirbelschicht (λ>1) 138
A.4.2 Betriebsart Vergasung in der Wirbelschicht (λ<1) 140
A.4.3 Brennkammer der Versuchsanlage, Luftzahlen und Verweilzeiten 142
A.5 Zum Turbo-Compound-Concept 145
A.5.1 Daten des Versuchsanlagen-TCS 145
A.5.2 Weitere Bilanzierungsannahmen zum Optimierungspotential des Turbo-Compound-Concept 146
Literaturverzeichnis 148
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:34282 |
| Date | 19 June 2019 |
| Creators | Thiel, Nina |
| Contributors | Beckmann, Michael, Scholz, Reinhard, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Sächsische Aufbaubank/EFRE Europäischer Fonds für regionale Entwicklung/100216195//Entwicklung und Betrieb einer Anlage zur Inertisierung von Rohklärschlamm auf Basis eines Wirbelschichtvergasers |
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