Kombination aus detaillierter CFD-Berechnung und Prozessmodellierung zur Prozessoptimierung und steuerung

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1 ANSYS CONFERENCE & CADFEM USERS MEETING 2014 Schwerpunktthema Produktions- Prozess- und Produktoptimierung Juni 2014, Nürnberg gmbh process & flow engineering technology Alfonsstr Aachen Tel Kombination aus detaillierter CFD-Berechnung und Prozessmodellierung zur Prozessoptimierung und steuerung M. Schumacher, M. Hufschmidt aixprocess GmbH, Aachen (Germany)

2 Ingenieurdienstleistung & Lösungen 2001 gegründet 11 Ingenieure Firmenprofil 2

3 Drehrohrofen Zementherstellungsprozess 3

4 Drehrohrofen Zementherstellungsprozess 4

5 Energiebedarf 3-4 GJ/t Klinker Produktion t Klinker pro Tag in einer Anlage ( MW) Etwa 4% des jährlichen weltweiten CO 2 -Ausstoßes durch Zementherstellung Ersatz von Kohle (ca /t) durch preiswertere Ersatzbrennstoffe (z.b. Fluff /t) Reduktion des Brennstoffeinsatzes durch Betrieb der Anlage am verfahrenstechnischen Optimum Steigerung der Substitutionstrate von derzeit ca. 40% auf bis zu 80% Ersatzbrennstoff angestrebt Hintergrund 5

6 Ofenkopf Dichtung Brenner Ofenkopf Tertiärluftentnahme Beschichtung oder Ringe Kalzinator, Materialvorwärmer Ausmauerung Ofeneinlassdichtung Ofeneinlasskammer Materialbett geneigtes Drehrohr (bis zu 200 m Länge) Klinkerkühler Allgemeine Bauform eines Drehrohrofens 6

7 Mehrkanalbrenner Öl- und Gaslanzen Schweröl Altöl / Tierfett Source: Greco Gas Source: Greco Source: Greco Brennersysteme 7

8 hochwertige Brennstoffe Kohle (Braunkohle, Steinkohle, Glanzkohle, ) Erdgas Erdöl Petrolkoks Diesel Schweröl Ersatzbrennstoffe Lösungsmittel Fette (tierische, Rückstände) Tiermehl / Knochenmehl getrockneter Klärschlamm Industrie- und Hausmüll ( Fluff ) Holtzschnitzel lokales Brennmaterial (e.g. Erdnussschalen) + hohe Prozessstabilität + konstante Produktqualität + niedrige Verunreinigungen - Kostenintensiv + niedrige Kosten oder Erträge + hohe Anbieterflexibilität - geringe Prozessstabilität - schwankende Produktqualität - hohe Verunreinigung Brennstoffe 8

9 Partikelform Partikelorientierung Temperaturbedingte Änderung der Morphologie T > C Partikeleigenschaften für Sekundärbrennstoffe 9

10 Wärmeübergang für nicht kugelige Partikel thermisches Modell für große Partikel mit schlechter Wärmeleiteigenschaft ( heiße Schale kalter Kern ) Partikelbruch nach Pyrolyse (Reifenschnitzel) Datenbank für die Materialeigenschaften von Ersatzbrennstoffen Materialeigenschaften der Sekundärbrennstoffe 10

11 Brennstoffe schwanken hinsichtlich : der chemischen Zusammensetzung Feuchtigkeit und Aschegehalt Länge der Kohleflamme Morphologie Folge der Schwankungen: verändertes Zündverhalten unterschiedlicher Ausbrand pneumatische Transport Länge der Fluff-Flamme Kofeuerung von Kohle und Fluff in einem Mehrkanalbrenner Bedeutung für den Zementprozess: veränderte Flammlänge unterschiedliche Wärmefreisetzung Temperaturprofilschwankungen Einfluss der Brennstoffzusammensetzung auf die Flammform und -länge 11

12 Einlaufzone Übergangszone Sinterzone In Drehrohröfen liefert der Hauptbrenner die gesamte Energie zur Trocknung, Kalzinierung/Pyrolyse und Materialumwandlung. Position und Höhe des Temperaturmaximus in der Gasphase wirken sich direkt auf die Produktqualität, Energieeffizienz, thermische Belastung der Ausmauerung und die NO x -Bildung aus. Der Prozess reagiert sehr sensitiv auf den oben dargestellten Temperaturverlauf Drehrohrofen Temperaturverlauf im Ofen 12

13 heiße Flamme Produkt verbrennt Einlaufzone Übergangszone Sinterzone kalte Flamme unzureichende Sinterung Drehrohrofen Abhängigkeit der Produktbildung und Klinkerqualität vom Flammendesign 13

14 einstellen eines Produktspezifischen Temperaturprofils entlang des Ofens effektiver Wärmestrom ins Materialbett durch eine stark strahlende Flamme vollständiger Umsatz aller Brennstoffe (Primär- und Sekundärbrennstoffe) geringe CO- und NO x -Bildung minimale Menge an Primärluft und Luftüberschuss zulassen hoher Flexibilität hinsichtlich des zu verwendenden Brennstoffs (Kostenreduktion) steuerung des Chlor- und Schwefelkreislaufs Zielvorgaben und Anforderungen an einen Klinkerbrenner 14

15 Optimierungsaufgabe 1 Brennerwechsel mit Veränderung des Brennstoffs, um Brennstoffkosten zu senken 16

16 Burner A - 100% HFO Burner B - 100% HFO Burner B - 80% NG 20% HFO Burner B - 100% NG Maßnahmen: Anpassung des Brennerspitzendesigns in Zusammenarbeit mit dem Brennerhersteller Identifikation geeigneter Betriebspunkte NG: Natural Gas HFO Heavy fuel oil Austausch Brenner und Brennstoff Flammform, -länge, -position 17

17 Total heat flux through material surface [W] Distance to kiln hood [m] Burner A - 100% HFO Burner B - 100% HFO Burner B - 80 NG + 20% HFO Burner B - 100% NG Total heat transfer through bed surface Burner A 100% HFO Burner B - 100% HFO Burner B 80% NG + 20% HFO Burner B 100% NG MW 3.15 MW 3.21 MW 3.29 MW Austausch Brenner und Brennstoff Wärmetransport ins Materialbett 18

18 Optimierungsaufgabe 2 Brennerauswahl für einen sicheren Brennstoffwechsel 19

19 Brenner A Steinkohle / Braunkohle Brenner A reine Braunkohle Brenner B reine Braunkohle Brenner C reine Braunkohle Brennerauswahl lokale Gastemperatur [K] 20

20 Brenner A Steinkohle / Braunkohle Brenner A reine Braunkohle Brenner B reine Braunkohle Brenner C reine Braunkohle Brennerauswahl Flammform 21

21 Prozessmodellierung Modellprädiktive Regelung 22

22 1D-Kompartementenmodell als Basis für die reduzierte Modellierung Erstellung von Pseudo-Kinetiken zur Anpassung des 1D-Modells an die Daten des CFD-Modells (automatisiert) Einbindung des Materialbetts in das 1D-Modell CFD 1D Abschließende Linearisierung des Modells für Reglerentwurf Reduktion des CFD-Modells 23

23 CFD - basiertes Modell Anlage Eingangsgrößen (gemessen) verfügbare Messgrößen Eingangsgrößen (geschätzt) z.b Heizwert SBS Beobachterfehler berechnete Zustandsgrößen Beobachter - Interne Zustandsgrößen (zur Regelung) Modellbasierter Beobachter zur Bestimmung aktueller Störgrößen 24

24 UDF TC Beobachter Modellpräd. Regler TC FC Brennstoff 2: Kohle Brennstoff 1: SBS Luft t Sprung im Heizwert des Brennstoffes 1 Regelung des Prozesses durch Brennstoff 2 Virtueller Prozess Drehofenbrenner Anbindung Beobachter/Regler an instationäre CFD-Rechnungen 25

25 Gastemperatur [K] Massenstrom SBS [kg/s] Massenstrom Kohle [kg/s] Erfolgreiche Entwicklung eines modellbasierten Beobachters und eines modellprädiktiven Reglers zur Regelung des Brennstoffmanagements Berücksichtigung einer Kostenfunktion im modellprädiktiven Regler Virtueller Prozess Drehofenbrenner Auswertung Brennstoffregelung 26

26 Zuschaltung des Reglers im laufenden Produktionsbetrieb MPR hat komplette Steuerung des Brennstoffmanagements übernommen Ziel Steigerung des SBS-Einsatzes erreicht Energieeintrag und Produktqualität während des Versuchs konstant Abbruch der Versuchsfahrt wegen rechtlicher Grenzen zum SBS-Einsatz Zeitlicher Verlauf Brennstoffe Zeitlicher Verlauf Energieeintrag Versuchsfahrt CEMEX-OstZement in Rüdersdorf 27

27 Danke 28

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