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Untersuchungen zur Erhöhung der Flexibilität zirkulierender Wirbelschichtkraftwerke zur Integration erneuerbarer Energien

Peters, Jens (2022):
Untersuchungen zur Erhöhung der Flexibilität zirkulierender Wirbelschichtkraftwerke zur Integration erneuerbarer Energien. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020292,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Untersuchungen zur Erhöhung der Flexibilität zirkulierender Wirbelschichtkraftwerke zur Integration erneuerbarer Energien
Language: German
Abstract:

Die Integration volatiler erneuerbaren Energiequellen in den Strommarkt erfordert Ausgleichstechnologien, die Versorgungssicherheit gewährleisten können. Solche Technologien müssen schnelle Lastwechsel über einen großen Lastbereich durchführen können und möglichst niedrige Treibhausgasemissionen aufweisen. In der vorliegenden Arbeit wird vorgeschlagen, existierende zirkulierende Wirbelschichtkraftwerke mit Kohlefeuerung für die Co-Verbrennung von Kohle, Biomasse und Ersatzbrennstoff umzurüsten. Der Ansatz ermöglicht eine sehr schnelle und kostengünstige technische Umsetzung bei gleichzeitig hohem CO2-Einsparpotential. Bestehende Großkraftwerke sind meist auf Nennlast und für einen bestimmten Brennstoff ausgelegt. Daher besteht Forschungsbedarf, die Brennstoffflexibilität und die Lastflexibilität von zirkulierenden Wirbelschichtfeuerungen besser zu verstehen und Wege zu finden, diese zu erhöhen. Ein Fokus dieser Dissertation ist die experimentelle Untersuchung der Bedingungen im Brennraum bei der Co-Verbrennung im Lastwechselbetrieb. Dazu wurden stationäre und dynamische Versuche in einer 1 MWth Versuchsanlage zur Co-Verbrennung von Braunkohle, Strohpellets und Refuse Derived Fuel durchgeführt. Für den Co-Verbrennungsbetrieb unter transienten Bedingungen müssen insbesondere die Temperaturen und der Wärmeübergang im Brennraum beherrscht werden. Die Versuchsergebnisse zeigen die große Bedeutung der hydrodynamischen Bedingungen für den Gesamtprozess. Der Temperaturverlauf, der Ort der Verbrennung, die Wärmeübertragung in der Wirbelschicht und andere Parameter wurden durch die komplexe Gas-Partikelströmung der zirkulierenden Wirbelschicht bestimmt. In der Arbeit wird gezeigt, welche Parameter die Hydrodynamik beeinflussen. Zur Erhöhung der Lastflexibilität wurden Lastwechselversuche auf die Betriebsparameter hin untersucht, die den stärksten Einfluss auf den Wärmeübergang zur Wasser-Dampfseite haben. Die Erkenntnisse wurden genutzt, um Konzepte für die Beschleunigung von Lastwechseln zu erarbeiten. Eines dieser Konzepte wurde erfolgreich in der Versuchsanlage getestet. Die experimentellen Daten wurden genutzt, um ein Modell der zirkulierenden Wirbelschichtverbrennung mit der dynamischen Prozesssimulationssoftware APROS zu entwickeln. Die Zielstellung der Prozesssimulation war die Untersuchung des dynamischen Betriebs der Co-Verbrennung. Die Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den experimentellen Daten ist hoch und das Modell kann zukünftig zum Beispiel für die Bewertung neuer Lastwechselkonzepte genutzt werden. Die Dissertation liefert eine umfassende Bewertung der Flexibilität von zirkulierenden Wirbelschichtkraftwerken im Hinblick auf die Co-Verbrennung erneuerbarer Festbrennstoffe unter Lastwechselbedingungen. Maßnahmen und Konzepte werden vorgestellt, um diese Flexibilität weiter zu erhöhen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The integration of volatile renewable energy sources into the electricity market requires balancing technologies that can ensure security of supply. The requirements for such technologies include the ability for fast load changes over a wide load range and low greenhouse gas emissions. This work proposes the retrofitting of existing circulating fluidized bed coal-fired power plants to co-combust coal, biomass and waste derived fuels. The technical implementation of the concept is fast and cost-effective and offers a high CO2-reduction potential. Existing large-scale power plants are usually designed for nominal load and a specific fuel. Therefore, there is a demand for research activities to increase knowledge of fuel and load flexibility and, if possible, to improve both. One focus of this thesis is the experimental investigation of the conditions in the furnace during co-combustion in load cycling operation. Steady-state and dynamic test series for co-combustion of lignite, straw pellets and Refuse Derived Fuel were conducted in a 1 MWth test facility. For co-combustion under transient conditions, the temperatures and heat transfer in the furnace need to be managed properly. The results show the large influence of the hydrodynamic conditions on the overall process. The complex gas-particle flow determines the temperature profile, combustion reactions, heat transfer and other parameters of the circulating fluidized bed. In this work, the parameters affecting the hydrodynamics are determined. In order to increase load flexibility, load change tests were performed to identify the operating parameters having the greatest influence on the heat transfer to the water-steam side. Based on the results of these tests, concepts for accelerating load changes were developed. One of these concepts was successfully demonstrated in the pilot plant. A model of the circulating fluidized bed combustor was developed with the dynamic process simulation software APROS using the experimental data. One objective of the process simulation was to investigate the dynamic operation of the co-combustion tests. The agreement of the simulation with the experimental results is high, and the model offers potential future applications, for example, in the assessment of novel load change concepts. The dissertation provides a comprehensive evaluation of the flexibility of cir-culating fluidized bed power plants with a focus on co-firing of renewable solid fuels during load cycling operation. Measures and strategies are presented to further increase this flexibility.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XX, 168 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institut für Energiesysteme und Energietechnik (EST)
Date Deposited: 25 Jan 2022 10:13
Last Modified: 25 Jan 2022 10:13
DOI: 10.26083/tuprints-00020292
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-202920
Referees: Epple, Prof. Dr. Bernd ; Dreizler, Prof. Dr. Andreas
Date of oral examination: 17 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20292
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