Die vorliegende Arbeit ist die erste empirische Studie zum Betriebsverhalten von unbelüfteten Festbettreaktoren mit Wärmeentzug, sog. Biomeilern. Es werden vier Biomeiler systematisch und mehrschichtig hinsichtlich der biochemischen Abbauprozesse untersucht. Zusätzlich dazu werden die Daten von 130 Temperatursensoren über einen Zeitraum von 140 Versuchstagen für eine energetische Bewertung herangezogen.
Die Bewertung der biochemischen Abbauprozesse erfolgt durch Analyse des Substratgemischs, der Gaskonzentration im Haufwerk und der Temperaturverteilung. Im zylinderförimgen Reaktorraum wird eine rotationssymetische Verteilung der Zustandsgrößen nachgewiesen, um deren Rotationsachse hohe Methankonzentartion, abhängig vom Gesamtvolumen, nachweisbar sind.
Die energetische Bewertung ergibt eine maximale Wärmeleistung von 5 kW über einen Zeitraum von 60 Tagen für 12h Wärmeentzug pro Tag. Diese Werte sind mit den publizierten Höchstwerten für die Wärmeleistung vergleichbar. Zur Erfassung der maximal möglichen Wärmeleistung war das gegebene Versuchsobjekt mangelhaft.
Zur Verbesserung sowohl der Wärmeleistungsbereitstellung als auch der Prozessführung wird eine Belüftung vorgeschlagen und erläutert. Ein möglicher Einsatz im Bereich der regenerativen Energieversorgung im Niedertemperaturbereich (bsp. Flächenheizungen) oder zur Deckung der Heizgrundlast sind denkbar.:1 Einleitung
2 Problemstellung und Zielsetzung
3 Grundlagen der Kompostierung
3.1 Definition
3.2 Mikroorganismen der Kompostierung
3.3 Substrat
3.3.1 Nährstoffe
3.3.2 Wassergehalt
3.3.3 Porengröße und Partikelgröße
3.4 Temperatur, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff
3.4.1 Zusammenhänge
3.4.2 Hygienisierung
3.4.3 Temperaturführung
3.5 Belüftungsverfahren statischer Reaktoren
3.5.1 Bedeutung
3.5.2 Aktive Belüftungsverfahren
3.5.3 Passive Belüftungsverfahren
3.5.4 Dombelüftungsverfahren
4 Stand der Wissenschaft
4.1 Theoretische Modellierung
4.1.1 Allgemeines
4.1.2 Thermodynamische Modellierung
4.1.2.1 Wärmebilanz
4.1.2.2 Speicherwärme und spezifische Wärmekapazität
4.1.2.3 Wärmeübertragung
4.1.2.4 Wärmeverlust
4.1.3 Modellierung der Selbsterhitzung und Reaktionswärme
4.1.3.1 Begriffsbestimmung
4.1.3.2 Deterministisch geprägte Modelle
4.1.3.3 Stöchiometrische Modelle mit Prozessgasen
4.1.3.4 Abschätzung durch den Heizwert des Substrat
4.1.3.5 Abschätzung durch die Heizwerte der Nährstoffe
4.1.4 Modellierung des Wasserhaushalts
4.2 Technologien zum Wärmeentzug aus der Kompostierung
4.2.1 Möglichkeiten des Wärmeentzugs
4.2.2 Steuerung der Prozesse
4.2.2.1 Bedeutung
4.2.2.2 Belüftung
4.2.2.3 C:N-Verhältnis
4.2.2.4 Temperaturführung
4.2.3 Bestehende Verfahren zum Wärmeentzug aus der Kompostierung
4.2.3.1 Kontinuierliche Verfahren
4.2.3.2 Kurzzeit-Batch
4.2.3.3 Langzeit-Batch
4.3 Datengrundlage zur Wärmeleistung
4.3.1 Ermittlung der Wärmeleistung
4.3.2 Experimente und Fehleranalyse
4.3.3 Datengrundlage
4.4 Fazit
5 Methoden zur Vermessung der Biomeiler
5.1 Versuch
5.1.1 Versuchsfeld und Umgebungsbedingungen
5.1.2 Aufbau und Betriebsweise der Biomeiler
5.1.2.1 Aufbau und Sensorik
5.1.2.2 Substratvorbereitung
5.1.2.3 Steuerung des Wärmeentzugs
5.1.3 Versuchszeitraum
5.2 Messungen
5.2.1 Charakterisierung des Substrats
5.2.1.1 Probenahme und Messpunkte
5.2.1.2 Schüttdichtemessung
5.2.1.3 Laboruntersuchungen
5.2.2 Temperaturmessungen
5.2.2.1 Automatisierte Temperaturmessungen
5.2.2.2 Manuelle Temperaturmessungen
5.2.2.3 Messung der Oberflächentemperatur
5.2.3 Volumenstrommessung im Heizkreislauf
5.2.4 Messung der Gaszusammensetzung im Festbettreaktor
5.2.5 Messung der Wetterdaten
5.3 Messfehlerbetrachtung
5.3.1 Nicht-quantifizierbare Fehlerquellen
5.3.2 Quantifizierbare Fehlerquellen
5.3.3 Auswertung der Fehler der manuellen Messungen
5.4 Auswertungsverfahren
5.4.1 Auswahl der Biomeiler
5.4.2 Darstellung des vertikalen Profils
5.4.3 Berechnung der Wärmeleistung
6 Auswertung 53
6.1 Auswertung der Wetterdaten
6.2 Charakterisierung des Substrats
6.2.1 Schüttdichte
6.2.2 Wassergehalt, Wärmekapazität und -leitfähigkeit
6.2.3 C:N-Verhältnis und Heizwert
6.2.4 Korngröße und oTS
6.2.5 Volumenschwund durch Setzung
6.3 Untersuchung des horizontalen Profils
6.4 Untersuchung des vertikalen Profils
6.4.1 Annahmen und Begriffsbestimmung
6.4.2 Profil der Schüttdichte und des Abbaugrads
6.4.2.1 Schüttdichte
6.4.2.2 Abbaugrad
6.4.3 Profil der Gaszusammensetzung
6.4.3.1 Gaskonzentrationen im Festbettreaktor
6.4.3.2 Optischer Nachweis der Mikroorganismen
6.4.4 Profil der Temperatur
6.4.4.1 Temperaturfeld im Festbettreaktor
6.4.4.2 Oberflächentemperatur
6.5 Untersuchung der Reaktionswärme und des Wärmeentzugs
6.5.1 Abhängigkeit von dem Biomeilervolumen
6.5.2 Abhängigkeit von der Steuerung des Wärmeentzugs
6.5.3 Auswertung der Wärmeleistung
6.5.4 Identifikation von Einflussfaktoren
6.5.4.1 Abhängigkeiten der Parameter
6.5.4.2 Einfluss der Umgebungsbedingungen
6.6 Ansatz zur Erweiterung eines Modells
6.6.1 Auswahl des Modells
6.6.2 Wärmebilanz
6.6.3 Räumliche Verteilung der Zustandsgrößen
6.6.4 Wärmeübertragung zum Wärmeübertrager
7 Bewertung und Diskussion
8 Zusammenfassung
9 Ausblick
Literatur
Anhang
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:70949 |
| Date | 11 June 2020 |
| Creators | Müller, Nele |
| Contributors | Brummack, Joachim, Technische Universität Dresden, Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:masterThesis, info:eu-repo/semantics/masterThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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