Schlüsselwörter
(Englisch)
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Grate combustion, screw burner, ash melting, fuel flexibility, particle emissions
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Im Bereich von 100 kW bis 300 kW kann Energieholz mit hoher Effektivität fossile Brennstoffe substituieren. Da die Qualität von Waldhackschnitzeln schwankt und ein erhöhter Aschegehalt
Verschlackung und Feinstaub verursachen kann, soll im Projekt ein Schneckenbrenner entwickelt werden, der eine gestufte Verbrennung und niedrige Glutbettemperaturen ermöglicht und damit Verschlackung verhindert und niedrige Emissionen an Feinstaub erzielt.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Da die Qualität von Waldhackschnitzeln schwankt und zudem auch biogene Reststoffe aus der Land-wirtschaft als Brennstoffe infrage kommen, besteht ein Interesse an Feuerungen für Brennstoffe mit erhöhtem Aschegehalt. Im Projekt wurde dazu ein Schneckenbrenner im Leistungsbereich von 100 kW bis 300 kW entwickelt, der eine gestufte Verbrennung mit niedrigen Temperaturen im Glutbett aufweist und dank kontinuierlicher Ascheaustragung Betriebsstörungen durch Ascheverschlackung verhindert.
Das Projekt erfolgte in einer Zusammenarbeit zwischen Institutionen aus Österreich, Schweden und der Schweiz im ERANET-Projekt «Advanced adjustable grate solutions for future fuel flexible biomass com-bustion technologies – GrateAdvance». Der schweizerische Teil umfasste ein Scale-up von 33 kW bzw. 35 kW auf 150 kW und die Realisierung einer 150 kW-Versuchsanlage. Zur Auslegung der Schnecken-geometrie erfolgte eine Modellierung der Feststoffumwandlung auf dem Rost. Daneben wurden die Brennkammer und die Luftzuführung mit numerischen und experimentellen Strömungsmethoden optimiert.
Anhand von Messungen der Partnerinstitution in Österreich an einer 35 kW-Prototypanlage wurden die Simulationsmodelle validiert und anschliessend für das Scale-up verwendet. Dabei wurde die Feuerung in drei Zonen unterteilt, in denen die jeweils entscheidende charaktistische Grösse identifiziert und für das Scale-up wie folgt konstant gehalten wurde:
1. in der Brennstoffkonversionszone wurde die thermische Rostflächenbelastung konstant behalten,
2. in der Brennkammer die Gasverweilzeit und
3. für die Sekundärluftdüsen wurde das Impulsstromdichteverhältnis konstant eingestellt.
Messungen an der Prototypanlage mit 35 kW zeigen, dass die Schneckenrostfeuerung für unterschied-liche Biomassebrennstoffe geeignet ist und tiefe Emissionen an Kohlenmonoxid (CO), Staub und Stick-oxiden (NOX) erreichen kann. Mit Holzpellets wurden folgende Emissionswert sicher erreicht:
CO < 50 mg/mn3, Staub < 30 mg/mn3 und NOX < 150 mg/mn3 bei 13 Vol.-% O2.
Daneben konnten auch landwirtschaftliche Brennstoffe mit Aschegehalten bis zu 7 Gew.-% verbrannt werden, wobei die Emissionen an Staub und Stickoxiden anstiegen. In einer Messreihe an der 150 kW-Versuchsanlage konnten ähnliche oder niedrigere Emissionswerte erzielt und das Vorgehen zum Scale-up sowie die Eignung des Funktionsprinzips für die grössere Leistung bestätigt werden.
Die im Projekt entwickelten Methoden und die erzielten Resultate sind in den Publikationen [1] bis [3] und den Tagungsbeiträgen [4] bis [7] ausführlich beschrieben.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Since the quality of wood chips varies and biogenic residues from agriculture are also potential fuels, there is an interest in combustion systems for fuels with increased ash content. In the project, a screw burner in the power range from 100 kW to 300 kW was developed, which features a staged combustion with low temperatures in the embers and prevents operational disturbances due to ash slagging thanks to continuous ash discharge.
The project was carried out in cooperation between institutions from Austria, Sweden and Switzerland in the ERANET project "Advanced adjustable grate solutions for future fuel flexible biomass combustion technologies - GrateAdvance". The Swiss part included a scale-up from 33 kW or 35 kW to 150 kW and the realisation of a 150 kW pilot plant. For the design of the screw geometries, the solid matter con-version on the grate was modelled. In addition, the combustion chamber and the air supply were opti-mised using numerical and experimental fluid dynamics methods.
Based on measurements of the partner institution in Austria at a 35 kW prototype plant, the simulation models were validated and subsequently used for the scale-up. The furnace was divided into three zones, in which the decisive characteristic variable was identified and kept constant for the scale-up as follows
1. in the fuel conversion zone the thermal grate surface load was kept constant,
2. in the combustion chamber the gas residence time was kept constant, and
3. the effective momentum flux ratio for the secondary air nozzles was set to a constant value.
Measurements on the prototype plant with 35 kW show that the screw burner system is suitable for different biomass fuels and can achieve low emissions of carbon monoxide (CO), dust and nitric oxides (NOX). With wood pellets the following emission values were reliably achieved:
CO < 50 mg/mn3, particulate matter < 30 mg/mn3 and NOX < 150 mg/mn3 at 13 Vol.-% O2.
In addition, agricultural fuels with an ash content of up to 7 % by weight could also be burned, however with increased emissions of particulate matter and nitric oxides. In a series of measurements at the 150 kW test plant, similar or lower emissions were achieved and the scale-up procedure and the suitability of the operating principle for the higher output were confirmed.
The methods developed in the project and the results obtained are described in detail in the publications [1] to [3] and the conference papers [4] to [7].
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Schlussbericht
(Französisch)
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Parce-que la qualité des copeaux forestiers varie et comme les résidus biogènes de l'agriculture sont également des combustibles potentiels, il y a un intérêt pour des systèmes de combustion de com-bustibles à une teneur en cendres plus élevée. Dans le cadre de ce projet, un système de combustion en vis d'une puissance de 100 à 300 kW a été mis au point. Il se caractérise par une combustion étagée avec des températures basses dans les braises et il évite les perturbations opérationnelles dues à la scorification des cendres grâce à un déchargement en continue des cendres.
Le projet a été réalisé en coopération avec des institutions d'Autriche, de Suède et de Suisse dans le cadre du projet ERANET "Advanced adjustable grate solutions for future fuel flexible biomass combus-tion technologies – GrateAdvance ". La partie suisse comprenait une augmentation d’échelle de 33 kW ou 35 kW à 150 kW et la réalisation d'une installation pilote de 150 kW. Pour la conception des géo-métries à vis, la conversion des parties solides du combustible sur la grille a été modélisée. En outre, la chambre de combustion et l'alimentation en air ont été optimisées à l'aide de méthodes numériques et expérimentales de la dynamique des fluides.
Sur la base de mesures effectuées par l'institution partenaire en Autriche avec un prototype de 35 kW, les modèles de simulation ont été validés et utilisés par la suite pour la mise à l'échelle. Le système de combustion a été divisée en trois zones, dans lesquelles la variable caractéristique décisive a été identifiée et maintenue constante pour le scale-up comme suit
1. dans la zone de conversion du combustible, la charge thermique de la grille a été maintenue constante,
2. dans la chambre de combustion, le temps de résidence des gaz et grille a été maintenu constant,
3. le rapport de densité du flux d'impulsion a été fixé à une valeur constante pour l'air secondaire.
Les mesures effectuées sur le prototype de 35 kW démontrent que la combustion en vis convient à différents combustibles de biomasse et permet d'obtenir de faibles émissions de monoxyde de carbone (CO), de particules et d'oxydes d'azote (NOX). Avec les granulés de bois, les valeurs d'émission suivantes ont été atteintes de manière fiable :
CO < 50 mg/mn3, particules < 30 mg/mn3 et NOX < 150 mg/mn3, à 13 % O2 en volume.
En outre, des combustibles agricoles dont la teneur en cendres peut atteindre 7 % en poids peuvent également être brûlés, ce qui entraîne une augmentation des émissions de poussières et d'oxydes d'azote. Dans une série de mesures effectuées avec le prototype de 150 kW, des valeurs d'émission similaires ou inférieures ont été obtenues et la procédure de mise à l'échelle et l'adéquation du principe de fonctionnement pour la puissance supérieure ont été confirmées.
Les méthodes développées dans le cadre du projet et les résultats obtenus sont décrits en détail dans les publications [1] à [3] et les documents de conférence [4] à [7].
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