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#853606

EmiL Emission Limited Biomass Combustion

Österreich nimmt weltweit eine führende Stellung im Bereich der Entwicklung und Verbreitung von Biomassekesselanlagen für Gebäudebeheizung, industrielle und gewerbliche Anlagen als auch für Nah- und Fernwärmeversorgung ein. Im Anlagenbetrieb steigt mit der Größe der Anlagen auf Grund der Brennstoffvariabilität auch die Anforderung an die Verbrennungsregelung sowie an die Abgasreinigung. Das Projekt EmiL (Emission Limited Biomass Combustion) soll auf Basis von Grundlagenuntersuchungen die Voraussetzungen für hocheffiziente und emissionsarme Biomassekessel schaffen.

Ausgangssituation

Das Ziel einer emissionsarmen Biomasseverbrennung soll durch die Kombination von Primärmaßnahmen im Bereich der Verbrennungssensorik und Verbrennungsregelung sowie durch Sekundärmaßnahmen im Bereich der kosteneffizienten Feinstaub- Abscheidetechnik erreicht werden. Die angestrebten Projektergebnisse werden in enger Kooperation zwischen Forschungseinrichtung, Universität und Kesselproduzenten erarbeitet. Das Projekt der industriellen Forschung adressiert mittelgroße Biomassekesselanlagen im Leistungsbereich zwischen 50 kW und 10 MW.

Projektverlauf

Das Projekt EmiL wird in Kooperation zwischen den Forschungspartnern Forschung Burgenland GmbH und TU Wien, Institut für Mechanik und Mechatronik, sowie den Industriepartnern Herz Energietechnik GmbH und Binder Energietechnik GmbH durchgeführt. Die Forschung Burgenland übernimmt im Projekt EmiL die thematischen Schwerpunkte Verbrennungssensorik und CFD- Simulation. Die experimentellen Versuche an den Prüfständen werden im Technikum der FH Burgenland durchgeführt. Die TU Wien erforscht die Modellierung einer modellprediktiven Regelung zur Verbrennungsoptimierung, die im Rahmen von experimentellen Versuchen erprobt wird. Die beiden Industriepartner Herz Energietechnik GmbH und Binder Energietechnik GmbH unterstützen durch deren Praxis-Know-How und arbeiten gemeinsam mit den beiden Forschungspartnern an der Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse auf unterschiedliche Kesselgrößen (Herz Energietechnik bis 1,5 MW, Binder Energietechnik bis 10 MW).

Ergebnisse

Die Methodik zur Erforschung der Projektergebnisse stützt sich auf experimentelle Untersuchungen an Prüfständen und im realen Anlagenbetrieb. Es wird eine innovative modellprädiktive Regelung entwickelt, welche durch Implementierung in eine LabVIEW® Umgebung über eine Schnittstelle zur Kesselsteuerung experimentell untersucht wird. Im Bereich der Feinstaubabscheidung wird auf Basis von CFD- Simulationen und experimentellen Grundlagenuntersuchungen an einem Versuchsträger die Integration von Feinstaubabscheidern in den Kesselkörper erprobt.

Im ersten Schritt wurde auf Grundlage von Verbrennungsversuchen am Kesselprüfstand (siehe Abbildung 1) ein MIMO Modell des Kessels erstellt. Die Modellierung orientiert sich an den zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien, die thermochemischen Reaktionen im Kessel hingegen wurden mittels sogenannter Grey-Box Modelle angenähert. Unbekannte Parameter und nicht messbare Größen konnten mit Hilfe von nichtlinearen Optimierungsverfahren aus vorhandenen Messdaten bestimmt werden. Zur Veranschaulichung ist in Abbildung 2 die Simulation des Modells einem Sprungversuch am Kessel gegenübergestellt, bei dem die Feuerraum- und die Abgastemperatur gemessen wurden. Das nichtlineare Kesselmodell wurde anschließend mittels einer sogenannten „gap-metric“, einem Maß für den Unterschied zwischen zwei Übertragungsfunktionen, in günstige Arbeitspunkte unterteilt, um welche in einem weiteren Schritt eine Linearisierung durchgeführt wurde. Die Kombination der genannten Methoden ermöglicht es, einen linearen, modellbasierten Zustandsregler am Prüfstand zu implementieren, der den gesamten Arbeitsbereich des Kessels abdeckt. Speziell wurde dazu der bereits erwähnte modellprädiktive Regler gewählt, der neben seiner prädiktiven Eigenschaft auch Stellgrößenbeschränkungen in eleganter Weise berücksichtigt, ohne dass klassische Maßnahmen wie ein Anti-windup notwendig sind. Eine wichtige Feedbackgröße für die Regelung ist der Restsauerstoffgehalt im Abgas, welcher mit Lambdasonden bestimmt wird.

Kesselpruefstand FH Burgenland

Abb. 1: Kesselprüfstand

Abbildung2

Abb. 2: Validierung des Modells für prädiktive Regelung

Bei Kleinkessel sind Lambdasonden (Zirkoniumoxid- Sonden) Stand der Technik. Bei mittelgroßen und größeren Anlagen ist auf Grund der Brennstoffinhomogenität und -variation eine reine Lambdasonden- Regelung kein Garant für eine schadstoffarme Verbrennung. Lambda- Sonden, CO/Lambda- Sonden oder NOx- Sonden werden neben der Automobilindustrie ebenso in Biomassekesseln zur Verbrennungsregelung eingesetzt. Für einen sauberen Anlagenbetrieb ist es wesentlich, dass die Sonden einen möglichst exakten Wert des im Rauchgas enthaltenen Restsauerstoffgehalts, den Wert von unverbranntem Kohlenmonoxid oder auch den Wert von Stickoxiden im Abgas liefern.

Um die Messgüte von unterschiedlichen Sensoren am Prüfstand testen zu können und auch mögliche Querempfindlichkeiten gegenüber Spurengasen zu ermitteln, wurde der Lambdasonden- Teststand entwickelt (siehe Abbildung 3). Am Teststand kann aus den Einzelgasen N2, O2 und CO2 eine beliebige Grundgaszusammensetzung hergestellt werden. Mittels Prüfgasen (CO, CH4, SO2, NO) können unterschiedliche Spurengase dieser Grundgaskonzentration zudosiert werden. Das synthetische Gas kann mittels Elektroheizpatrone auf Temperaturen bis zu 180°C beheizt werden um möglichst reale Betriebsbedingungen von Kesselanlagen nachbilden zu können.

Die Ausgangssignale der installierten Sonden werden mittels LabView- Programm kontinuierlich erfasst und aufgezeichnet. Als Referenzwert für die Messung dienen die durch industrielle Gasanalysatoren gemessenen Werte. Somit kann zum einem die Genauigkeit, bei wiederholten Messungen auch die Alterungsbeständigkeit der Sonden bestimmt werden.

Lambdasonden Pruefstand 1

Abb. 3: Lambdasonden Prüfstand

Die Integrationsmöglichkeiten von elektrostatischen Feinstaubabscheidern in den Kesselkörper wird mittels CFD- Simulationen untersucht. Auf Basis dieser Simulationen, die als Ergebnis sowohl das Strömungsbild als auch die Temperaturverteilung des Abgases im Kesselkörper liefern, wird ein Versuchsträger konzipiert mit Hilfe dessen die Staubabscheidung experimentell untersucht wird. Ziel des Versuchsaufbaus ist, die Funktionsfähigkeit einer direkt in einen Kesselkörper integrierten Staubabscheidung zu analysieren.

In diesem Zusammenhang stellt insbesondere die Rauchgastemperatur sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit eine Herausforderung für die Staubabscheidung dar. Gerade eine hohe Rauchgastemperatur kann jedoch dazu führen, dass der Dampfdruck der im Rauchgas vorliegenden Aerosolkomponenten den jeweiligen Sättigungsdampfdruck nicht erreicht und der Mechanismus zur Feinstaubbildung somit noch nicht eingeleitet bzw. abgeschlossen wurde. Basierend auf den Versuchsergebnissen erfolgt eine Validierung des berücksichtigten CFD Modellansatzes zur Simulation der Staubabscheidung eines im Kesselkörper integrierten Elektrofilters.

Darauf aufbauend wird eine CFD Simulation für eine weitere Geometrievariante durchgeführt. Im Unterschied zum analysierten Versuchsaufbau wird hierbei jedoch das Abscheideverhalten für einen Kessel höherer Leistung analysiert.

Steckbrief

Projektnummer
853606
Koordinator
Forschung Burgenland GmbH
Projektleitung
Jürgen Krail, juergen.krail@fh-burgenland.at
Partner
TU Wien, Institut für Mechanik und Mechatronik
Binder Energietechnik GmbH
Herz Energietechnik GmbH
Schlagwörter
Alternative biogene Brennstoffe Biomasse Emissionsminderung Feinstaubabscheidung Hackgutkessel MIMO – Multi Input Multi Output Modellprädiktive Regelung Pelletskessel Verbrennungsregelung
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
04.2016 - 03.2019
Budget
978.646 €