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Ziel dieser Arbeit ist es, den Prozess der Verschmutzung und Verschlackung in biomassegefeuerten Kraftwerken berechenbar zu machen, um eine Vorhersage des Wachstums von Ascheansätzen bei vorgegebenen Betriebszuständen zu ermöglichen und daraus Abreinigungszeitpunkte zu ermitteln.
Dazu wird ein dynamisches Simulationsmodell verwendet, welches über die energetische Bilanzierung der Wasser-Dampf-Seite die nicht messbaren Rauchgastemperaturen und Wärmeleitfähigkeiten an den Wärmetauscheroberflächen berechnet. Die wachsenden Ablagerungen auf der Rauchgasseite werden mit einem dynamischen Ascheansatzmodell bestimmt, welches ein Asche-Wärmeleitfähigkeitsmodell sowie Modelle zu Auftreff- und Haftwahrscheinlichkeiten von Aschepartikeln vereint. Ein Rußblasemodell simuliert die im Kraftwerk ablaufenden Abreinigungszyklen.
Das dynamische Verhalten des Kraftwerks wird vollständig abgebildet, d.h. Schwankungen von sich während des Betriebs ändernden Parametern wie z. B. Last und Brennstoffqualität werden berücksichtigt. Bei Berechnungsstart bereits vorhandene Ablagerungen werden mit in die Entwicklung des Depositionsmodells einbezogen. Dies erlaubt Vorhersagen, wo wann welche Ascheansätze entstehen und mit welcher Betriebsweise diesen am effektivsten zu begegnen ist.
Um in der Literatur gefundene Ascheansatzmodelle in der dynamischen Simulation nutzen zu können, müssen die thermischen Eigenschaften von Ascheansätzen bekannt sein. Diese ändern sich während des Abkühlprozesses und liefern bei Laboranalysen abweichende Werte. Neben den durchgeführten Laboranalysen wird daher eine Verschlackungssonde vorgestellt, mit der die thermischen Eigenschaften, Struktur und äußere Form von Ascheansätzen während des Belagwachstums untersucht werden können. Mit den so gewonnenen Werten wird die Aussagefähigkeit vorhandener Ascheansatzmodelle verbessert.
Kapitel 2 geht auf die Grundlagen des Wärmetransports ein. Es folgt ein Überblick über die Verschmutzungsproblematik von biomassegefeuerten Anlagen und die bisher bekannten Methoden zur Charakterisierung von Ascheansätzen.
Kapitel 3 erläutert Funktion und Applikation des in der Biomasse-Staubfeuerung Fyris in Uppsala eingesetzten dynamischen Wasser-Dampf-Modells. Zur künftigen Optimierung des Systems wird ein 2D-Ascheformmodell vorgestellt, welches in Verbindung mit einem 2-Schicht-Modell die Vorhersage des optimalen Abreinigungszeitpunkts durch Berücksichtigung der tatsächlichen Ascheansatzgeometrie verbessern kann.
Kapitel 4 zeigt die experimentellen Untersuchungen zur Charakterisierung von Brennstoffen und die In-Situ-Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Ascheansätzen mittels Verschlackungssonden.
In Kapitel 5 werden die Ergebnisse der Kraftwerkssimulation, der Brennstoff- und der Ascheanalysen sowie der experimentellen Untersuchungen wiedergegeben.
Kapitel 6 fasst die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf weiteren Forschungsbedarf in diesem Gebiet.