Ein innovatives FEM-Modell zur Optimierung von Stickoxidreduktionstechniken Uwe Schneider

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Otto Beckenbauer
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2 Ein innovatives FEM-Modell zur Optimierung von Stickoxidreduktionstechniken Uwe Schneider

3 Inhalt - Der Digitale Zwilling - Herangehensweise an die Abbildung einer konkreten Anlage - Erfahrungen am Beispiel der SNCR - Optimierung

4 Der digitale Zwilling - Abbildung physischer Dinge / nichtphysischer Dinge - Produkte/Verfahren einzeln oder im Zusammenhang - Einzelkomponenten der Hersteller/Elektrotechnik - Zusammenspiel der physikalischen Eigenschaften - Zusammenspiel der chemischen Eigenschaften Ziel: virtuelle Erprobung des Verfahrens/Produktes der Software/Anlage..

5 Amortisation - Anfangs erhöhte Kosten (Erstellung) - Anschließend eine Senkung der laufenden Kosten - Vernetzung mit Zulieferern (Test von Produkten vor Bestellung) - Vernetzung mit Kunden (Darstellung der Vorteile) - Vernetzung der Betriebsstätte (Zusammenarbeit versch. Abteilungen) - Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit in der Zukunft

6 Herangehensweise an die Abbildung einer konkreten Anlage - Bilanzgrenzen - Anlagentypen und Bauformen - Brennstoffe - Wärmeübergänge, Materialien, Wärmenutzung - Modellstruktur

7 Bilanzierung des Verfahrens

8 Anlagentypen und Bauformen und andere Bauformen: Großwasserraumkessel, u.a. Quelle Bilder: Dissertation Klasen UDE

9 Brennstoffe / Brennstoffgemische - A1 A4 Hölzer (Frischholz, Spanplatten..) Brennstoff? el. Energie

10 Wärmeübergänge, Materialien, Wärmenutzung

11 Modellstruktur 3D Gasphase Feststoffverbrennung

12 Empirische Datenerfassung OPC Industrial Ethernet Datenerfassung PC-S7 400 Profibus/Profinet Anlage Dezentrale Peripherie TCP/IP Sensoren Video-/IR-Kamera

13 Datenpool als Randbedingungen Numerik CAD PLS-Daten Video- und IR-Kamera Randbedingungen Geometrie Prozessführung 3D CFD-Modell 3D Materialien Wärmeübergang Energiefluss

14 Erfassung der Simulationsziele - Regelbetrieb (Regelparameter) - Schwankungen der Brennstoffzusammensetzung - Prozessschieflagen/Extreme - Varianten der Anlagenfahrweise (Volllast/Teillast) - Testen von Lösungsansätzen aus Betriebserfahrung - Einsparung von Versuchsreihen

15 15 Physikalische und chemische Eigenschaften Bilanziert werden: Speziesverteilung Temperaturverteilung Geschwindigkeiten Zusammensetzung Viskosität Wärmeübertragung Digitaler Zwilling Energiebilanz Massenströme Chemische Umsetzung Strahlungsprofile CO-Reaktionsmechanismen SNCR-Modell

16 16 Regelungstechnische Aspekte bei der Feuerleistungsregelung Regelungsgrößen Stellgrößen Dampfleistung (langfristig) O 2 -Abgaskonzentration Aufgabeschieberbewegung Gesamtluft/Primärluft (langfristig) Sekundärluftmenge (kurzfristig) ggf. Reduktion der Dampfleistung Dampfleistung (kurzfristig) Primärluftmenge Primärluftvordruck Rostkippbewegung Rost-/Aufgabeschieber (Ein/Aus) Feuerlage Rostvorschub Primärluftverteilung

17 Erfahrungen mit der Simulation am Beispiel der SNCR - Optimierung - Validierung - Auslegung einer Verbrennungsluftstufung - Anlage 1 - Anlage 2

18 Validierung des digitalen Zwilling - Phänomene nicht alles kann abgebildet werden - die Gesamtbilanzen Genauigkeit wird durch Bilanzierung der Massen- und Energieströme ermittelt - und die Konsistenzkriterien Berechnungen mit bekannten Lösungen und Messungen verglichen

19 19 Auslegung der Sekundärluftstufung

20 20 Auslegung der Sekundärluftstufung

21 Anlage 1: Strömungsverhältnisse (Faktor 1 der SNCR)

22 Anlage 1: Strömungsverhältnisse (Faktor 1 der SNCR)

23 Anlage 1: Temperaturverteilung (Faktor 2 der SNCR)

24 Anlage 1: Temperaturverteilung (Faktor 2 der SNCR)

25 Anlage 1: Berechnung der Verdampfungsrate und Umsetzung des Betriebsmittels

26 Anlage 1: Berechnung der Verdampfungsrate und Umsetzung des Betriebsmittels

27 Anlage 1: Berechnung der Verdampfungsrate und Umsetzung des Betriebsmittels

28 Anlage 1: Berechnung der Konzentration und Umsetzung des Betriebsmittels

29 Anlage 1: Berechnung der Konzentration und Umsetzung des Betriebsmittels

30 Anlage 1: Berechnung der Konzentration und Umsetzung des Betriebsmittels

31 Anlage 2: Strömungsverhältnisse und Durchmischung (Faktor 1 der SNCR)

32 Anlage 2: Strömungsverhältnisse und Durchmischung (Faktor 1 der SNCR)

33 Anlage 2: Temperaturprofil (Faktor 2 der SNCR)

34 Anlage 2: Auswahl des Temperaturfensters (Faktor 2 SNCR)

35 Anlage 2: Berechnung der Konzentration und Umsetzung des Betriebsmittels

36 Anlage 2: Berechnung der Konzentration und Umsetzung des Betriebsmittels

37 Anlage 2: Berechnung der Konzentration und Umsetzung des Betriebsmittels

38 Zusammenfassung - Erhöhung der Wettbewerbschancen - Vorantreiben der digitalen Vernetzung - nächster Schritt für Industrie wirtschaftliche Vorteile (spätere Einsparungen übersteigen wesentlich die Investition)

39 Vielen Dank Uwe Schneider 0681 /

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