Numerische Untersuchung der Sekundärlufteindüsung in der Müllverbrennung

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1 Lehrstuhl für Energiesysteme Fakultät für Maschinenwesen Technische Universität München Numerische Untersuchung der Sekundärlufteindüsung in der Müllverbrennung Jell Sebastian 35. CADFEM ANSYS Simulation Conference 2017

2 Agenda Motivation Kennzahlen zur Beurteilung der Durchmischung Strömungsmodelle und Netzabhängigkeit Optimierung der Sekundärluftzufuhr Fazit 2

3 Agenda Motivation Kennzahlen zur Beurteilung der Durchmischung Strömungsmodelle und Netzabhängigkeit Optimierung der Sekundärluftzufuhr Fazit 3

4 Motivation Idee: Absenkung der Primär- und Sekundärluftzuführung zur Reduktion von Stickoxiden Ausgangslage: Die thermische Abfallverwertung wird überwiegend auf Rostfeuerungsanlagen durchgeführt Inhomogenität des Rauchgases oberhalb des Rosts Durchmischung notwendig zur Absenkung von CO und NO-Emissionen Ziel: Homogenisierung des Rauchgasvolumenstroms mit geringer Sekundärluftzufuhr Sauerstoffgehalt [mol-%] 4

5 Einfluss der Durchmischung auf die CO-Emissionen Bildung von CO-Emissionen bei der Rostfeuerung * Kalt-CO: Reaktion CO O 2 CO 2 kommt bei niedrigen Temperaturen zum erliegen Gegenmaßnahmen: Ausmauerung oder vorgewärmte Luft Heiß-CO: Zu geringe Sauerstoffverfügbarkeit in Verbrennung Gegenmaßnahme: Erhöhung der Sekundärluftzufuhr Mischungs-CO: * Spezialfall von Heiß-CO, zu geringe Sauerstoffverfügbarkeit in Verbrennung Gegenmaßnahme: Verbesserung der Durchmischung *iiimurer M. et al. VDI-Berichte Nr. 2302, 2017, pp ** Karl, J. Dezentrale Energiesysteme: Neue Technologien im liberalisierten Energiemarkt. aswalter de Gruyter, 2012 Heiß-CO (λ 1) C CO- Strähnen Kalt-CO (λ>>1) < 800 C ** 5

6 Einfluss der Stöchiometrie auf die NO-Emissionen Einfluss des unterstöchiometrischer Volumenanteils auf die Stickoxidemissionen * 450 NO X,dry 11% O Vergrößerung des unterstöchiometrischen Volumenanteils führt zu Minderung von Stickoxiden Durch Verbesserung der Durchmischung kann eine Absenkung der Stöchiometrie erreicht werden Volumenanteil 0.40 < λ < 0.95 [%] * Jell S. et al. VDI-Berichte Nr. 2302, 2017, pp

7 Agenda Motivation Kennzahlen zur Beurteilung der Durchmischung Strömungsmodelle und Netzabhängigkeit Optimierung der Sekundärluftzufuhr Fazit 7

8 Kriterien zur Beurteilung der Durchmischung Vektor-Darstellung Standardabweichung der Hauptgasspezies über Kesselhöhe Massenstrom über die Querschnittsfläche des Kessels Impulsverhältnis zwischen Hauptrauchgasrichtung und Querströmungen Dichtefunktion bei verschiedenen Kesselhöhen Verteilungsfunktion bei verschiedenen Kesselhöhen 8

9 Kriterien zur Beurteilung der Durchmischung Vektor-Darstellung Standardabweichung der Hauptgasspezies über Kesselhöhe Massenstrom über die Querschnittsfläche des Kessels Impulsverhältnis zwischen Hauptrauchgasrichtung und Querströmungen Dichtefunktion bei verschiedenen Kesselhöhen Verteilungsfunktion bei verschiedenen Kesselhöhen 9

10 Kriterien zur Beurteilung der Durchmischung Vektor-Darstellung Standardabweichung der Hauptgasspezies über Kesselhöhe Massenstrom über die Querschnittsfläche des Kessels Impulsverhältnis zwischen Hauptrauchgasrichtung und Querströmungen Dichtefunktion bei verschiedenen Kesselhöhen Verteilungsfunktion bei verschiedenen Kesselhöhen 10

11 Kriterien zur Beurteilung der Durchmischung Vektor-Darstellung Standardabweichung der Hauptgasspezies über Kesselhöhe Sauerstoffgehalt [mol-%] Massenstrom über die Querschnittsfläche des Kessels Impulsverhältnis zwischen Hauptrauchgasrichtung und Querströmungen Dichtefunktion bei verschiedenen Kesselhöhen Verteilungsfunktion bei verschiedenen Kesselhöhen 11

12 Agenda Motivation Kennzahlen zur Beurteilung der Durchmischung Strömungsmodelle und Netzabhängigkeit Optimierung der Sekundärluftzufuhr Fazit 12

13 Geometrie und Modelle Geometrie: Düsenkonzept und Geometrie: ähnlich konventioneller Müllverbrennungsanlage mit Sekundär- und Tertiärlufteindüsung Tertiärluft Höhe: 7.6 m und 8.5 m Sekundärluft Höhe: 4.8 m und 5.8 m Rechengitter: Start: ca Zellen (mit feinerer Auflösung und Inflation-Layer um Sekundär- und Tertiärluftdüsen) Ende: ca Zellen (mittels Gridadapt über Geschwindigkeitsgradient) Turbulenzmodell: Reynold Stress mit Stress Omega Strahlungsmodell: P1 Chemiemodell: EDM Reaktionskinetik: Jones-Lindstedt* mit 4 Reaktionsgleichungen * W. P. Jones und R. P. Lindstedt, Global reaction schemes for hydrocarbon combustion, in Combustion and flame 73.3, 1988, pp

14 Strömungsmodell Vergleich: Reynold-Stress, k-epsilon, k-omega Reynold-Stress mit Stress-Omega k-epsilon mit Standardfunktion 14

15 Strömungsmodell Vergleich: Reynold-Stress, k-epsilon, k-omega Massenstrom entgegen der Hauptgasrichtung Normalverteilung des Sauerstoffs bei 15 m 15

16 Netzabhängigkeit Vergleich: Gridadapt Reynold-Stress mit Stress-Omega mit Gridadapt Reynold-Stress mit Stress-Omega ohne Gridadapt 16

17 Netzabhängigkeit Vergleich: Gridadapt Massenstrom entgegen der Hauptgasrichtung Normalverteilung des Sauerstoffs bei 15 m 17

18 Agenda Motivation Kennzahlen zur Beurteilung der Durchmischung Strömungsmodelle und Netzabhängigkeit Optimierung der Sekundärluftzufuhr Fazit 18

19 Basisfall Luftstufung: Stöchiometrie nach Primärluftebene: 0.66 Stöchiometrie nach Sekundärluftebene: 0.90 Stöchiometrie nach Tertiärluftebene: 1.45 Sekundärluftdüsen Anzahl: 14 vorne und 14 hinten Durchmesser Düse: 0.06 m Luftverteilung: 66 % vorne 34 % hinten Anordnung: Aufeinander Sauerstoffgehalt [mol-%] 19

20 Optimierungsansatz Zu hohe Sauerstoffverfügbarkeit auf der Rückseite Zu geringe Sauerstoffverfügbarkeit auf der Vorderseite Mittelwert der Stöchiometrie nach Sekundärluftebene: 0.9 Molanteil Sauerstoff soll : 0 % Vergleich verschiedener Sekundärluftdüsenanordnungen Vergleich verschiedener Sekundärluftverteilungen Sauerstoffgehalt [mol-%] 20

21 Anordnungsvariationen Sekundärluftdüsen 1) Aufeinander 2) Stiching 3) Parallel 21

22 Anordnungsvariationen Sekundärluftdüsen Parallel : Vergleich links - rechts Sauerstoffgehalt [mol-%] 22

23 Aufteilung der Sekundärluft vorne - hinten Aufeinander Stiching 23

24 Aufteilung der Sekundärluft - Einfluss auf Wirbel Aufeinander 24

25 Agenda Motivation Kennzahlen zur Beurteilung der Durchmischung Strömungsmodelle und Netzabhängigkeit Optimierung der Sekundärluftzufuhr Fazit 25

26 Fazit Großer Einfluss des Strömungsmodell auf die Durchmischung des Kessels k-epsilon und k-omega Modell unterschätzen die Durchmischung, Reynold-Stress am besten geeignet Hohe Netzabhängigkeit der Durchmischung im Kessel Gute Auflösung der Eindüsungen notwendig, Gridadapt gute Möglichkeit für Netzverfeinerung Beurteilung der Durchmischung mit Kennzahlen schwierig Bestgeeignet ist die Standardabweichung von Sauerstoff Für die Finale Beurteilung sollten mehrere Kennzahlen und bildgebende Verfahren angewendet werden Die Anordnung Stiching erreicht eine bessere Durchmischung gegenüber der Anordnung Aufeinander, bei annähernd gleichen Massenstrom durch gegenüberliegende Düsen Verbesserung der Durchmischung insbesondere durch einseitige Eindüsung möglich 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit