Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Biomasse ist als erneuerbarer Energietr\u00e4ger zur Reduzierung der fossilen CO2-Emissionen und Ressourcenschonung anerkannt. Vom gesamten Spektrum fester Biobrennstoffe wird in thermochemischen Konversionsanlagen vor allem Holz als vergleichsweise qualitativ hochwertige Biomasse zur W\u00e4rme- und Strombereitstellung eingesetzt. Das Potential alternativer Einsatzstoffe, zu denen insbesondere biogene Rest- und Abfallstoffe z\u00e4hlen, die im Bereich der stofflichen Biomassenutzung (z. B. M\u00f6belwerke, Brauereien, Molkereien, Papier- und Wellpappenverarbeitung, usw.) dezentral am Produktionsort anfallen und aufgrund ihrer Eigenschaften f\u00fcr eine weitere stoffliche Nutzung ungeeignet sind, bleibt hingegen bisher weitestgehend ungenutzt. Gleichzeitig suchen diese Industriezweige zunehmend nach M\u00f6glichkeiten, um ihre auf fossilen Brennstoffen beruhende Energieversorgung durch eigene biogene Rest- und Abfallstoffe zu substituieren und so auch steigende Kosten f\u00fcr fossile CO2-Emissionen einzusparen.<\/p>\n
Zur energetischen Nutzung von vornehmlich biogenen Rest- und Abfallstoffen wurde von den Projektpartnern in Vorprojekten das sogenannte TC\u00b2-Verfahren entwickelt, patentiert und in einer Demonstrationsanlage umgesetzt. Dabei wird der Einsatzstoff in einem druckaufgeladenen Wirbelschichtreaktor in ein brennbares Vergasungsgas konvertiert und in einer nachgeschalteten Brennkammer verbrannt. Mittels eines Turbo-Compound-Systems (TCS) wird die Abgasenthalpie anschlie\u00dfend zum Antrieb des Luftverdichters und zur Stromerzeugung genutzt. Die ebenfalls anfallende thermische Energie kann zur W\u00e4rmebereitstellung (Prozessw\u00e4rme, Geb\u00e4udeheizung) genutzt werden.<\/p>\n
Um das Verfahrenskonzept in eine kommerzielle Gesamtanlage zu \u00fcberf\u00fchren, muss das TCS an die rauen Prozessbedingungen (partikelbeladenes hei\u00dfes Abgas) adaptiert und unter diesen Bedingungen getestet werden. Das Ziel dieses Teilprojektes bestand daher in der Entwicklung und Integration einer Filmk\u00fchlung, die Partikelablagerungen auf den Schaufeln des TCS vermindern soll. <\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenF\u00fcr die Integration der Filmk\u00fchlung wurden Schaufelschnitte aus der Anwendung des bestehenden TCS entnommen und Testschaufeln geschaffen, auf denen typische Ausf\u00fchrungen einer Filmk\u00fchlung generiert wurden. Eine Vorauswahl und Analyse der Str\u00f6mungsmuster der Schaufeln wurde durch CFD-Studien vorgenommen. Aus den Erkenntnissen der CFD-Studien wurden die Schaufels\u00e4tze mit einem Umlenkwinkel von ?????=40,6\u00b0 ausgew\u00e4hlt. Diese wurden anschlie\u00dfend experimentell untersucht. Dazu wurde ein Versuchsstand entworfen und aufgebaut, mit dem der Einfluss der Filmk\u00fchlung auf Partikelablagerungen unter prozesstypischen Betriebsbedingungen an Einzelschaufeln untersucht werden kann. Der Versuchsstand wurde so konzipiert, dass er relevante Parameter wie Gastemperatur, Gasgeschwindigkeit und Partikelkonzentration im Gasstrom der sp\u00e4teren Anwendung nachempfindet. Als Asche f\u00fcr die Versuchsdurchf\u00fchrung wurden anorganische Komponenten ausgew\u00e4hlt (Kalk, Gips, ????????2????3, ????2????????4, ????????????????, ????????????), die als typische Flugaschebestandteile gelten. Diese wurden in definierten Anteilen gemischt, in den Gasstrom des Versuchsstandes dosiert und mit einer definierten Massenkonzentration den Einzelschaufeln zugef\u00fchrt. Die Bewertung der Ablagerungen erfolgte visuell, durch den Vergleich mit CFD-Simulationen und mittels REM-EDX-Analysen. <\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die CFD-Studie hat gezeigt, dass die Ausbildung des K\u00fchlfilms vor allem bei einer Umlenkung von ?????=40,6\u00b0 beg\u00fcnstigt wird. Bei dieser Gegebenheit ist deswegen die beste Schutzwirkung zu erwarten. Zus\u00e4tzlich zeigte die Variation mit gef\u00e4cherter Bohrung die beste Schutzwirkung sowohl in den CFD-Simulationen als auch in den Versuchen gegen\u00fcber Partikelablagerung. Im Ergebnis der Experimente des Einzelschaufelversuchsstandes wurde festgestellt, dass Frontalbohrungen im Kontext einer Schutzwirkung kontraproduktiv sind, da sie eine verst\u00e4rkte Durchmischung der Str\u00f6mung hervorrufen und damit den Partikeltransport zur Oberfl\u00e4che der Schaufel beg\u00fcnstigten. Auch zeigten in diesem Zusammenhang niedrige Impulsverh\u00e4ltnisse einen positiven Effekt auf die Reduzierung der Ablagerungstendenz auf der Druckseite der Turbinenschaufel. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
\u0095\tWunder, L.; Bernhardt, D.; Beckmann, M.: Comparison of Ash Deposition Models in Gas Turbine Blade Rows for Alternative Solid Fuels with Low Ash Melting Temperatures. In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2024: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (GT2024): June 24-28, 2024, London, United Kingdom. Little Falls, NJ, USA: The American Society of Mechanical Engineers, 2024<\/p>\n
\u0095\tWunder, L.; Bernhardt, D.; Beckmann, M.: Investigation of Ash Deposition Behaviour from Biogenic Solid Fuel Under Gas Turbine Conditions. ASME Turbo Expo 2025: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (GT2025): June 16-20, 2025, Memphis, USA (Noch nicht ver\u00f6ffentlichtes Journal Paper)<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Insgesamt ist die Filmk\u00fchlung eine vielversprechende Anwendung, um die Betriebszeit des TCS mit einem festen Brennstoff zu verl\u00e4ngern. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein finales TCS mit Filmk\u00fchlung entworfen und zur Fertigung vorbereitet. Dieses soll nun im Rahmen eines Folgeprojektes in die Demonstrationsanlage integriert und unter den realen Betriebs- und Prozessbedingungen getestet werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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