Mathematische Modellierung der Biomasse-Festbettverbrennung

Eine effiziente und umweltfreundliche Nutzung von Biomasse zur Bereitstellung von Energie ist von besonderer Bedeutung, da Biomasse CO2-neutral ist und fossile Energiequellen schont. Für die Optimierung von Festbettfeuerungen hinsichtlich Wirkungsgrad und Emissionen wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl experimenteller und theoretischer Untersuchungen durchgeführt. Mehrere mathematische Modelle wurden in der Literatur vorgestellt, wobei die meisten dieser Modelle entweder die Vorgänge im einzelnen Partikel oder in der gesamten Schüttschicht beschreiben. Beide Modellgruppen sind für bestimmte Modellbrennstoffe in bestimmten Arbeitsbereichen anwendbar bzw. gültig. Im Fall von Biomasse werden aufgrund des hohen Anteils an Flüchtigen 85% oder mehr der Brennstoffmasse während der Pyrolyse umgesetzt. Es ist bekannt, daß die Pyrolyse von vielen Faktoren abhängt, wie z. B. Partikelgröße, Temperatur, Aufheizrate, umgebende Atmosphäre, etc. Um realistische Berechnungsergebnisse zu erhalten ist es also notwendig, sowohl die Geschichte der einzelnen Brennstoffpartikel als auch die Phänomene in der gesamten Brennstoffschüttung gleichwertig zu berücksichtigen. In dem Projekt wird ein kombiniertes Reaktor/Partikel-Modell zur Berechnung von Temperatur- und Konzentrationsprofilen in Abhängigkeit von Ort und Zeit sowohl im einzelnen Brennstoffteilchen als auch in der gesamten Brennstoffschüttung entwickelt. Die Gase, welche die einzelnen Brennstoffteilchen während der Pyrolyse verlassen, bestimmen das Zünd- und Abbrandverhalten der Brennstoffschüttung und in weiterer Folge die Bildung und Freisetzung von Schadstoffen. Die meisten in der Literatur veröffentlichten experimentellen Untersuchungen konzentrieren sich auf die Bildungsrate und Zusammensetzung der von verschiedenen Brennstoffpartikel freigesetzten Gase bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Ein Schwerpunkt ist dabei der Teergehalt des Gases. Vom energetischen Gesichtspunkt wäre allerdings der Heizwert der Gase und deren Sauerstoffbedarf sowie der Heizwert des festen Pyrolyserückstandes in Abhängigkeit von dessen Umsatz wesentlich aussagekräftiger. Eine Berechnung dieser Größen ist praktisch unmöglich, da dazu die genaue Zusammensetzung des Teeres bekannt sein müßte. Im Rahmen des Projektes wird daher ein Kalorimeter zur Online-Messung des Heizwertes und Sauerstoffbedarfes der das Brennstoffteilchen verlassenden Gase entwickelt sowie ein Kalorimeter zur Messung des Heizwertes des festen Pyrolyserückstandes in Abhängigkeit von dessen Umsatz angeschafft. Diese Parameter stellen die wesentliche Verbindung zwischen dem Einzelpartikelmodell und dem Reaktormodell dar und werden im Laufe des Projektes für verschiedene Brennstoffe und Randbedingungen gemessen. Um die Berechnungsergebnisse zu validieren werden weiters Versuche in einem Biomasse-Festbett-Reaktor durchgeführt.

In dezentralen Feuerungen wird vermehrt Energie zur Verfügung gestellt. Auf Grund des Kyoto Abkommens muss der C02-Ausstoß drastisch gesenkt werden. Dies wiederum erhöht den Anteil an biogenen Brennstoffen in den dezentralen Feuerungen. Die Ergebnisse des Projektes "Mathematische Modellierung der Biomasse- Festbettverbrennung" liefern einen entscheidenden Beitrag zur effizienteren Nutzung von Feuerungen. Das im Zuge dieses Projektes entwickelte Modell zur Berechnung der Verbrennung in Festbettfeuerungen - ReaMod - wurde zusätzlich mit experimentellen Daten validiert. Dazu wurde ein eigens konstruiertes Strömungskalorimeter herangezogen, welches es ermöglicht den Heizwert der Flüchtigen von Pyrolysegasen in Abhängigkeit der Zeit und inklusive des Teers zu bestimmen. Es lässt sich damit auch der Sauerstoffbedarf für eine vollkommene Verbrennung in Abhängigkeit der Zeit bestimmen, was eine weitere signifikante Rolle bei der Optimierung von Feuerungen spielt. Weiters wurde zusätzlich zum eigentlichen Projektantrag ein zweites mathematisches Modell zur Berechnung des zeitabhängigen Temperaturverlaufes in Lagerungen von festen Brennstoffen - SEBOSS - entwickelt. Die Begründung für dieses Modell liegt in der Notwendigkeit der Betrachtungen der Lagersicherheit von Brennstoffen. Heutzutage werden immer häufiger neben biogenen Stoffen auch Kunststoffe und andere feste brennbare Stoffe der thermischen Verwertung zugeführt. Gerate Lagerungen von denselbigen unkontrolliert in Brand, kommt es zur Bildung von umweltgefährdenden Emissionen, sowie zur Bildung von Pyrolyseölen, die das Grundwasser gefährden.