Numerische Simulation eines biomassegefeuerten. Abbildung von Verschlackung. Fachtagung Prozesssimulation in der Energietechnik,

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1 Fachtagung Prozesssimulation in der Energietechnik, Numerische Simulation eines biomassegefeuerten Kraftwerkskessels zur Abbildung von Verschlackung Thomas Plankenbühler, M.Sc. Dipl.-Ing. Dominik Müller David Gring, M.Sc. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Karl

2 Motivation Verschlackung schlechter Wärmeübergang Anlagenschäden Hochtemperatur-Chlorkorrosion Folie 2

3 1. Motivation und Grundlagen Verschlackung von Biomassefeuerungen Vorgehensweise 2. Modellierung von Gasphasenverbrennung und Partikelabbrand Rechennetzerstellung Randbedingungen Rostmodellierung Restkoksabbrand und Gasphasenverbrennung 3. Ergebnisse & Diskussion Visualisierung der Simulationsergebnisse Vergleich mit realen Depositionen 4. Zusammenfassung und Fazit Folie 3

4 1. Motivation und Grundlagen Verschlackung von Biomassefeuerungen Vorgehensweise 2. Modellierung von Gasphasenverbrennung und Partikelabbrand Rechennetzerstellung Randbedingungen Rostmodellierung Restkoksabbrand und Gasphasenverbrennung 3. Ergebnisse & Diskussion Visualisierung der Simulationsergebnisse Vergleich mit realen Depositionen 4. Zusammenfassung und Fazit Folie 4

5 Motivation Ursache von Verschlackung? typische Betrachtungsweise Rauchgas zu heiß Verschlackung Forschungsansatz Brennende Partikel im Freeboard Partikel heißer als Rauchgas Verschlackung Folie 5 Partikel- und Gasphasentemperatur werden getrennt betrachtet

6 Vorgehensweise bei der Kesselsimulation Gittererstellung aus Kesselgeometrie Auswahl physikalischer Modelle Turbulenz Verbrennung Strahlung Festlegung der Randbedingungen Verbrennungsluft / Rezi-Gas Wandtemperaturen Gaszusammensetzungen Numerische Lösung der Gasphase Verschlackung durch Kollision heißer Partikel mit Kesselwand Post-Processor für Partikelabbrand Folie 6

7 1. Motivation und Grundlagen Verschlackung von Biomassefeuerungen Vorgehensweise 2. Modellierung von Gasphasenverbrennung und Partikelabbrand Rechennetzerstellung Randbedingungen Rostmodellierung Restkoksabbrand und Gasphasenverbrennung 3. Ergebnisse & Diskussion Visualisierung der Simulationsergebnisse Vergleich mit realen Depositionen 4. Zusammenfassung und Fazit Folie 7

8 Kesselgeometrie 20 MW - Rostfeuerung Verdampfergitter Flossenwand Überhitzer Sekundärluft Rezi-Düsen Brennstoff Vorschubrost Ausmauerung Folie 8

9 Rechengitter des Kessels Kessel wird mit 4,2 Millionen Zellen blockstrukturiert vernetzt Mischungsbereiche werden verfeinert Kesseleinbauten werden detailliert vernetzt 20 < y + < 200: Wandfunktion anwendbar Rezi-Düsen Sekundärluft-Düsen Verdampfer-Gitter Folie 9

10 Randbedingungen Wände haben Siedezustand bei Verdampfertemperatur 557 K Die Überhitzer werden nicht detailliert simuliert, Betrachtung von Strömungswiderstand und Enthalpiesenke mittels Porous Media Model Relevante Gasströme (Rezi, Primär- und Sekundärluft) aus Anlagenregelung Brennstoff sind Holzhackschnitzel, W40, Vol80% Folie 10

11 Modellierungsmethodik Übersicht Simulation erfolgt mit Modellen nach Stand der Technik Turbulenzmodelle: k-ε realizable / Reynolds Stress Model Strahlung: Discrete Ordinates, WSGGM Wandbereich: Scaleable Wallfunction Verbrennung: Eddy Dissipation Model / Finite Rate Partikel: Discrete Phase Model; Stochastic Tracking mit/ohne Gravitation Folie 11

12 Rostmodellierung Biomass Fuel-rich Burnout Zone Flue Gas Secondary Air Recycle Gas O 2 -rich Primary Air + Recycle Gas Ash Am Rost laufen div. Teilschritte ab: Trocknung, Pyrolyse, C-Abbrand Aufteilung des Rostes in Zonen mit separater Primärluft und Rauchgasrückführung Luftzahl am Rost beträgt ca. 0,45 Bereiche mit λ < 1 und λ > 1 Prozesse im Brennstoffbett sind komplex, teilweise unbekannt Vereinfachte Modellierung notwendig! Paces, N., Kozek, M.: Modeling of a Grate-Firing Biomass Furnace for Real-Time Application. In International Symposium on Models and Modeling Folie 12 Methodologies in Science and Engineering, 2011

13 Reaktionsrate Fachtagung Prozesssimulation in der Energietechnik, , Leipzig Reaktionsraten für Rostmodellierung 100% 80% 60% 40% 20% 0% I II III IV V Rostzone Trocknung Entgasung C-Abbrand I II III IV V Ash Lösung: Rost wird in diskrete Zonen aufgeteilt Empirische Reaktionsraten für Einzelschritte werden vorgegeben In jeder Zone laufen heterogene Reaktionen & Phasenübergänge ab Verdampfung Austreiben der Flüchtigen Abbrand Kohlenstoff Anschließend erfolgen homogene Reaktionen in der Gasphase Folie 13

14 Rostmodellierung Erfahrungsbasiertes Zonenbilanzmodell Gas über Rost Massenstrom Zusammensetzung Temperatur Massenerhaltung Stoffkomponentenbilanz Bilanz der Totalenthalpien Iterative Lösung und Integration der spez. Wärmekapazitäten Brennstoff ein Massenstrom Zusammensetzung Temperatur Bilanzraum Rostzone Brennstoff aus Massenstrom Zusammensetzung Temperatur Folie 14 Rezi Primärluft

15 Verbrennungsmodellierung Die Gasphasenverbrennung wird als zweistufiger Abbrand mit virtueller Spezies zu CO und anschließender Oxidation zu CO 2 dargestellt: C 1 H 2. 23O 0. 97N O 2 CO H 2 O N 2 CO O 2 CO 2 Der Partikelabbrand erfolgt im diffusionslimitierten Regime in Abhängigkeit der Gasphasenbedingungen: m p c p dt p dt = ha p T T p f h dm p dt H reac + ε p A p σ θ R 4 T p 4 m p, dt p Q rad Folie 15

16 1. Motivation und Grundlagen Verschlackung von Biomassefeuerungen Vorgehensweise 2. Modellierung von Gasphasenverbrennung und Partikelabbrand Rechennetzerstellung Randbedingungen Rostmodellierung Restkoksabbrand und Gasphasenverbrennung 3. Ergebnisse & Diskussion Visualisierung der Simulationsergebnisse Vergleich mit realen Depositionen 4. Zusammenfassung und Fazit Folie 16

17 Simulationsergebnisse Temperaturfeld, O 2 Feld k-ε A = 0,6 k-ε A = 0,6 Folie 17 Höchste Temperaturen im Bereich der Sekundärluftzufuhr Verlauf von O 2 Konzentration und Temperaturfeld stimmen überein

18 Simulationsergebnisse - Temperaturfeld +10 K 1182 K Simulation 1172 K Messung 666 K Simulation 667 K Messung -1 K -13 K 1311 K Simulation 1324 K Messung 842 K Simulation 868 K Messung (-20 K) Kaum Abweichungen zwischen Simulation und Messwerten Starke Kanten in Bettnähe aufgrund der diskreten Rostzonen Folie 18

19 Partikeldarstellung Abbrandverhalten & -geschwindigkeit 2000 K 1500 K 1000 K 500 K Koksabbrand Abkühlung Abbrand von Bennstofffeinpartikeln (d = 400 µm) ist im 1. Rauchgaszug abgeschlossen. Folie 19

20 Partikeldarstellung Wandkollisionen als Ursache von Verschlackungen Übersicht 1. Zug Partikel-Wand-Kollisionen werden farblich angezeigt: rot = viele Treffer Besonderes Augenmerk wird auf Rost Sekundärluft Durchtrittsgitter und (Kesseldecke) gelegt Folie 20

21 Rost Beobachtungen Kesselwände im Bereich des Rosts nahezu komplett bedeckt Wechtenbildung unter Rezidüsen Änderung in Menge und Erscheinung entlang Kante Lockere Depositionen, Struktur einzelner Partikeln klar erkennbar locker fester Wechten Folie 21

22 Rost CFD Simulation Gute über Einstimmung von Wandkollisionen und realer Verschlackung Plausibilität! aber: (noch) keine Quantifizierbarkeit Folie 22

23 Sekundärluft Liegt im Bereich höchster Temperaturen Viele Partikel-Wand- Kollisionen im CFD-Modell Plausibilität der Ergebnisse Geschmolzene Strukturen einzelne Partikel erkennbar Folie 23

24 Kesseldecke Durchtrittsgitter Gitter umschlossen von Ablagerungen Strömungsrichtung gut erkennbar Ausrichtung entspricht simuliertem (und erwartetem) Strömungsfeld Partikelkollisionen mit Gitter Ergebnisse des CFD-Modells sind plausibel! Folie 24

25 Haftwahrsheinlichkeit [-] Fachtagung Prozesssimulation in der Energietechnik, , Leipzig Schlussfolgerungen Partikel-Wand-Kollisionen zeigen gute Übereinstimmung mit Beobachtungen Betrachtung von Temperatur-, Strömungsfeld, Partikeltemperatur zeigen grundsätzliche Plausibilität noch keine Quantifizierbarkeit möglich, derzeit nur phänomenologische Betrachtung Ausblick: Bessere Berücksichtigung der Partikeltemperatur Kopplung mit Brennstoffeigenschaften Implementierung von Haftwahrscheinlichkeit p Haft = p T p + 1 Tp p Wand (TWa nd ) perosio n Folie ,8 Stroh 0,6 0,4 0, Partikeltemperatur in C

26 1. Motivation und Grundlagen Verschlackung von Biomassefeuerungen Vorgehensweise 2. Modellierung von Gasphasenverbrennung und Partikelabbrand Rechennetzerstellung Randbedingungen Rostmodellierung Restkoksabbrand und Gasphasenverbrennung 3. Ergebnisse & Diskussion Visualisierung der Simulationsergebnisse Vergleich mit realen Depositionen 4. Zusammenfassung und Fazit Folie 26

27 Zusammenfassung und Ausblick Großes Interesse an Werkzeugen zur (Vorab-)Beurteilung von Ort, Quantität und Qualität von Verschlackungen CFD-Simulationen sind dazu sinnvolles Werkzeug (insb. für örtliche Auflösung) Heute: Präsentation der CFD-Simulation eines Biomasse-HKW à 25 MW Rostmodell liefert wichtige Randbedingungen Simulationsergebnisse plausibel & in Übereinstimmung mit Betreiberdaten Ablagerungen in Übereinstimmungen mit Beobachtungen Bald: Implementierung temperaturabhängiger Partikel-Wand- Kollisionen Integration von Brennstoffeigenschaften (insb. AFT, Feinanteil) Quantifizierung Folie 27

28 Acknowledgements gefördert durch: im Förderprogramm aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages 03KB069 - FuelBand Folie 28 Thomas Plankenbühler, M.Sc. Fürther Straße 244f D Nürnberg Deutschland Tel: +49 (911) Fax: +49 (911) thomas.plankenbuehler@fau.de