Projekt 18306/01

Kombination eines innovativen und emissionsarmen Biomasse Feuerungsverfahrens mit einem Stirlingmotor zur dezentralen Kraft/Wärmekopplung

Projektträger

Universität StuttgartInstitut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)
Pfaffenwaldring 23
70550 Stuttgart
Telefon: 0711/685-3492

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Projektdurchführung wurde auf die Erfahrungen und Betriebsergebnisse einer ersten industriellen Pilotanlage aufgebaut, bei der sich im praktischen Betrieb noch einige Probleme und Unzulänglichkeiten zeigten. Deshalb wird im IVD-Technikum ein verbessertes Verfahren mit neuer Feuerungstechnologie aufgebaut. Das Entwicklungsziel wird durch folgende Kennzahlen charakterisiert:
- Maximale Feuerungsleistung der Verbrennungsanlage: 200 kW
- Maximale elektrische Leistung des Stirlingmotors: 40 kW
- Elektrischer Wirkungsgrad bei Nennlast: 20%
- Elektrischer Nutzungsgrad im industriellen Einsatz: 15%


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Detaillierte messtechnische Untersuchung der KWK-Pilotanlage in Krailling, um die bestehenden Probleme besser zu verstehen und durch neue Konzepte zu vermeiden. Das Zusammenspiel von Stirlingmotor und Feuerungsanlage sowie die Abgasemissionen stehen im Vordergrund der Untersuchungen.
2. Umbau der Versuchsanlage im Technikum des Instituts und Integration eines Dummy-Wärmeübertragers. Wegen der Notwendigkeit, die Verschmutzung detaillierter zu untersuchen, konnte nicht ein baugleiches Modell der Firma Magnetmotor genutzt werden, es wurde ein spezieller Versuchs-Erhitzer entwickelt und eingebaut.
3. Entwicklung und Erprobung eines neuen Regelungskonzepts für die verbesserte KWK-Anlage am IVD. Wegen der Verschiebung des Arbeitsschwerpunktes hin zur Verschmutzungsproblematik war die Entwicklung eines industriellen Regelungskonzepts nicht möglich. Statt dessen, wurden ver-schiedene Betriebsmodi, mit speziellem Augenmerk auf den Teillastbetrieb, erprobt.
4. Messtechnische Überprüfung des neu entwickelten Verfahrens am Institut. Dabei soll die Verbesserung gegenüber der bestehenden Anlage dokumentiert werden und weiteres Optimierungspotenzial dargestellt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die Anlage in Krailling ist in das Heizwerk eines ortsnahen Industriegebietes eingebunden. Die Rücklauftemperaturen zur KWK-Anlage waren außerordentlich hoch. Die schwankende Abnahme an Heizwärme stellt hier ein Problem dar. Darüber hinaus war aber die hydraulische Einbindung der KWK-Anlage in das Heizwerk derart, dass die Pumpen der größeren reinen Heizkessel, der kleinen KWK-Anlage das Wasser abgegraben haben. Eine Veränderung der hydraulischen Führung brachte Besserung, wobei das Problem der Abnahme bestehen bleibt.
Die ersten Versuche zeigten das rasche Fortschreiten der Verschmutzungsbeläge auf den Erhitzerrohren. Besonders die Verbindung von Partikelanflug und Kondensatbildung wirkt verheerend. Die Partikel liefern das Material für das Dickenwachstum des Belages, das Kondensat verklebt und verfestigt diesen Belag. Wobei auch klar wurde, dass diese Beläge rein visuell immer wieder anders aussehen. Der Rohr-Wärmetauscher, der durch eine ausgeprägte Enge der einzelnen Rohre gekennzeichnet ist, tendierte zum Zuwachsen.
Aus der messtechnischen Überwachung der Betriebsparameter und Abgaskonzentration ergaben sich keine Auffälligkeiten. Aus den Staubgehalten im Rauchgas bestätigte sich die gute Partikel-Vorabscheidung in der zyklonartigen Sekundärbrennkammer der Feuerungsanlage. Der verbleibende Staubgehalt besteht zudem überwiegend aus allerfeinsten Staubteilchen. Weitere Staubreduktion könnte also nur über aufwendige, in diesem Anlagenmaßstab nicht realisierbare Verfahren geleistet werden. Aus den Analysen der Verschmutzungsbeläge an der Technikumsanlage des IVD ergab sich folgendes Bild: Aufgrund der größeren Abstände zwischen den Wärmetauscherrohren beschränkte sich die Bildung einer Partikelschicht auf die Anströmseite (der Zusammenhang zwischen Verschmutzung und Rohrabstand ist auch aus der Kraftwerkstechnik bekannt). Zudem blieb dieser Belag relativ trocken, d. h. die Kondensatbildung innerhalb der Partikelschicht reichte nicht, um die Partikel untereinander stark zu verkleben. In der Kondensatbildung zeigt sich die Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur erwartungsgemäß deutlich. Folgende Alkalien wurden im Kondensat in dieser Konzentrations-Reihenfolge gefunden: Kalium, Calcium, Natrium und Magnesium. Daneben tritt Chrom sehr stark auf (evtl. aufgrund einer falschen Materialwahl im Brennraum). Die Summe der Kondensate steigt mit der Oberflächentemperatur an und erreicht bei ca. 900°C ein Maximum. Darüber folgt ein deutlicher Abfall, nur Ca und Mg sind im höheren Bereich noch deutlich vertreten. Da diese Temperatur typisch für Stirling-Erhitzer ist, ist klar, dass immer mit entsprechenden Kondensations- und damit Verschmutzungsproblemen zu rechnen ist.
Das Cr zeigt in seinem Auftreten eine starke Bindung an Na und K. Dies und die Tatsache, dass Cr trotz eines Schmelzpunktes von rund 1600 °C wie Na und K bei 900°C im Kondensat maximal auftritt, lässt die Frage aufkommen, ob das Cr auf dem Wärmetauscher in eine Verbindung mit K oder Na übergeht. Dies hätte ungünstige Auswirkung auf die Zeitstandfestigkeit des Tauschermaterials bzw. würde hohe Anforderungen an dasselbe stellen. Am Inconel-Erhitzer in Krailling wurde keine Korrosion des Erhitzers beobachtet.
Die Abgasrezirkulation zur Anhebung der Rauchgastemperatur war bislang nicht erfolgreich. Hier besteht aber noch Optimierungspotenzial, sowohl in der Rauchgasführung als auch in der Dimensionierung des eingesetzten Injektors. Zudem traten in der Rückführung deutliche Wärmeverluste auf, die noch nicht geklärt sind.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Darstellung der Zwischenergebnisse auf
- Europäischem Stirlingforum 2002 in Osnabrück
- International Stirling Engine Conference (ISEC) 2003 in Rom


Fazit

Das Hauptaugenmerk der Arbeit wurde auf die Verschmutzung gerichtet. Der Stirling-Erhitzer wird auf einem Temperaturniveau betrieben, das die höchsten Kondensationsraten nach sich zieht. Bei niedrigeren Kondensationsraten bleiben die Partikel trockener und fallen von Zeit zu Zeit sogar selbst ab. Wird die Rohrgeometrie des Erhitzers offener, d. h. größere Abstände zwischen den Rohren, gewählt, beschränkt sich die Partikelansammlung auf die Anströmseite. Überraschend das starke Auftreten von Chrom. Trotz falscher Materialwahl eines Bauteils im Brennraum deutet einiges daraufhin, dass sich die Alkalien auf dem Erhitzer mit dem Chrom der Erhitzerrohre verbinden.
Die Auslegung einer Micro-KWK Biomasse Anlage mit Stirling Motor bedarf einer genauen Abstimmung. Die zusätzlichen Druckverluste durch den Erhitzer beeinflussen die Strömungsverhältnisse, in unserem Beispiel die Abgasrezirkulation.