CFD-Simulation von Biomasse-Rostfeuerungen Stand der Technik und aktuelle Weiterentwicklungen

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1 CFD-Simulation von Biomasse-Rostfeuerungen Stand der Technik und aktuelle Weiterentwicklungen Dipl.-Ing. Dr. Robert Scharler Dipl.-Ing. Dr. Martin Forstner Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ingwald Obernberger BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH Inffeldgasse 21b, A-8010 A Graz, Austria TEL.: +43 (316) ; FAX: +43 (316) bios-bioenergy.at HOMEPAGE:

2 Überblick Stand der Technik eine ausgewählte Designstudie Zielsetzungen und Rahmenbedingungen Empirisches Abbrandmodell Eingesetzte CFD-Modelle Ergebnisse Designstudie Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Aktuelle Neuentwicklungen Beispiele Überblick NO x -Postprozessing Wärmetauschermodellierung Depositionsmodellierung Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

3 Fallstudie Zielsetzungen und Rahmenbedingungen Modulare Entwicklung einer Multifuel-Low-NO x -Biomasse- Rostfeuerung sowie Ableitung von allgemeinen Richtlinien für die Gestaltung und den Betrieb von Biomasse-Rostfeuerungen Möglichst kleine und kompakte Bauweise der Feuerung Möglichst vollständiger Rauchgasausbrand, niedriger Luftüberschuss und Einhaltung des CO-Emissionsgrenzwertes: Effiziente Durchmischung des unverbrannten Rauchgases Gute Ausnutzung des Feuerraumvolumens Bestmögliche Vermeidung von Temperaturspitzen (Verschlackungsgefahr!) und Geschwindigkeitsspitzen (Erosionsgefahr!)

4 Biomasse-Abbrandmodell Definition von Profilen welche die Verteilung von Primärluft und rez. Rauchgas sowie die thermische Zersetzung der festen Biomasse (Komponenten C,H,O) und die Brennstofftrocknung entlang des Rostes vorgeben (basierend auf Testläufen) Definition von Konversionsparametern für CH 4, H 2, CO, CO 2, H 2 O und O 2 im freigesetzten Rauchgas (basierend auf Literaturdaten und Laborreaktorversuchen) Bilanzierung von Masse, Spezies und Energie entlang des Rostes (1D-Modell) Konzentration [Gew% RGf] Temperature wt% [H 2 O] H2O (w. b.) Rostlänge [m] Temperatur- und Speziesprofile des Rauchgases entlang des Rostes Rauchgastemperatur [K]

5 CFD Modellierung Turbulenz Realizable k-ε Model Gasphasen-Verbrennung Eddy Dissipation Model (EDM) / Globaler Methan 3-Schritt Mechanismus (CH 4, CO, CO 2, H 2, H 2 O und O 2 ) Strahlung Discrete Ordinates Model

6 Fallstudie entwickelte Feuerung Eintritt Kessel Sekundärverbrennungszone Rezirkulationsdüsen Biomasse- Brennstoffbett Sekundärluftdüsen Tertiärluftdüsen Primärverbrennungszone Wirbelbarrieren Konzept einer Multifuel-Low-NO x -Biomasse-Rostfeuerung

7 Fallstudie Untersuchung Primärverbrennungszone Verbesserung von Durchmischung und Feuerraumausnutzung durch Einblasung von rezirkuliertem RG durch Düsen über dem Brennstoffbett (CO- und NO x -Reduktion) A B Berechnete CO-Profile für verschiedene Feuerungsdesigns Erläuterungen: Figur A...Variante ohne Zufuhr von rezirkuliertem Rauchgas über dem Brennstoffbett; Figur B...Bestfall der untersuchten Varianten hinsichtlich der Gestaltung der RG-Rezirkulationsdüsen

8 Fallstudie Untersuchung Sekundärverbrennungszone Verbesserte Durchmischung bzw. Homogenisierung des Rauchgasstromes durch Induzierung einer Sekundär-/Wirbelströmung mittels Sekundärluftdüsen Vektorfeld der Rauchgasgeschwindigkeit in einem Querschnitt unmittelbar nach den Sekundärluftdüsen des Bestfalles der untersuchten Varianten hinsichtlich der Düsen-Gestaltung

9 Fallstudie Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Kompakte Bauweise (reduzierte Investitionskosten) und verminderte Luftund Rauchgasströme (reduzierte Betriebskosten und verbesserter Wirkungsgrad) durch CFD-Optimierung der turbulenten Durchmischung und Feuerraumausnutzung Erhöhte Anlagenverfügbarkeit durch abgesenkte Rauchgastemperatur- (verminderte Verschlackungsneigung) und Geschwindigkeitsspitzen (verminderte Erosionsneigung) CFD ist ein effizientes Werkzeug zur Auslegung von Biomasse- Rostfeuerungen und führt letztendlich zu einer größeren Sicherheit bei der Anlagenauslegung und zu deutlich reduzierten Entwicklungszyklen und erforderlichen Testläufen. Die Simulationsergebnisse zeigten auch, dass die Weiterentwicklung der eingesetzten Modelle sowie die Entwicklung neuer Modelle notwendig sind, um einerseits deren Vorhersagegenauigkeit weiter zu verbessern und andererseits auch eine Aussage über wesentliche feuerungstechnische Problemstellungen, die bisher mittels CFD nicht behandelt werden konnten, wie z.b. die Bildung von NO x und von Flugaschedepositionen zu erhalten.

10 Überblick aktuelle Entwicklungen Entwicklung eines NO x -Postprozessors Modellierung konvektiver Wärmetauscherbündel Depositionsmodellierung

11 CFD-NO x -Postprozessor Entwicklung eines NO x -Postprozessors Erweiterung des Abbrandmodells um die NO x -Vorläufer NO, NH 3 und HCN Eddy Dissipation Concept Detaillierte Kinetik (Kilpinen 92) ISAT (In-Situ Adaptive Tabulation) Algorithmus für die Reaktionskinetik

12 CFD-NO x -Postprozessor NO x -Emissionen am Kesselaustritt: Messung: 264 ppmv Simulation: 287 ppmv NH 3 -Emissionen am Kesselaustritt: Messung: nicht detektierbar Simulation < 1 ppmv SLD RRD Oberkante Brennstoffbett Simulierte Molenbrüche von NH 3 (links) und NO (links) in der vertikalen Symmetrieebene einer Rostfeuerungs-Pilotanlage und Vergleich mit Emissionsmessungen am Kesselaustritt Erläuterungen: Kesselnennleistung 440 kw; Brennstoff Spanplatten (W 11); λ prim < 1; RRD...Rauchgas-Rezirkulationsdüsen; SLD...Sekundärluftdüsen;

13 CFD-NO x -Postprozessor Sehr hohe Temperaturen in den feinen Turbulenzstrukturen, die thermisches NO x verursachen zu grobe Vereinfachungen des Festbettmodells und der Basis-Verbrennungssimulation mit dem Eddy Dissipation Model NO x -Emissionen am Kesselaustritt: Messung: 140 ppmv Simulation: 213 ppmv SLD RRD Simulierte Temperaturen in den Feinskalentemperaturen [ C] (links) und Molenbrüche von NO [-] (rechts) in der Symmetrieebene einer Biomasse-Rostfeuerung im Industriemaßstab Erläuterungen: Kesselnennleistung 7,2 MW; Brennstoff Altholz (W 18); λ prim > 1; RRD...Rauchgas-Rezirkulationsdüsen; SLD...Sekundärluftdüsen;

14 CFD-Modellierung konvektive Wärmetauscher Modellierung konvektiver Wärmetauscherbündel Eine detaillierte Berechnung ist zu aufwändig Finite Zellen basiertes Modell Berechnung von Lenkungseffekten, Druckverlust und Wärmeübergang basierend auf Literaturdaten und 2D-Berechnungen Wasserrohrkessel, Thermoölkessel, Rauchrohrkessel Primär- und Sekundärwärmeträgerseite

15 CFD-Modellierung konvektive Wärmetauscher Rohrreihen 1. Zug 2. Zug Überhitzer Überhitzer Verdampfer Strömung SLD RRD Rohrreihe Brennstoffbett CFD-Einlass Economiser Economiser CFD- Auslass CFD-Modell eines mit Altholz befeuerten Biomasse-Dampfkessels Erläuterungen: Brennstoffwärmeleistung 21 MW; Brennstoff Altholz W 16; RRD...Rauchgas-Rezirkulationsdüsen; SLD...Sekundärluftdüsen

16 CFD-Modellierung konvektive Wärmetauscher M2 Vergleich: Messung (Thermoelemente) CFD - Simulation Messung CFD- Simulation M1 598 C 593 C -0.5% M2 411 C 404 C -1% c M1 M3 150 C 150 C 0% M3 Profile der Rauchgastemperatur in [ C] im Konvektionsteil eines altholzbefeuerten Dampfkessels (Wasserrohrkessels) und Vergleich mit Temperaturmessungen Erläuterungen: Brennstoffwärmeleistung 21 MW; Brennstoff Altholz W 16;

17 CFD-Modellierung konvektive Wärmetauscher Profile der mittleren (links) und maximalen (rechts) Temperaturen an den Rohroberflächen [ C] des Konvektionsteils eines altholzbefeuerten Dampfkessels (Wasserrohrkessel) Erläuterungen: Brennstoffwärmeleistung 21 MW; Brennstoff Altholz W 16;

18 CFD-Modellierung Aschedepositionen Depositionsmodellierung Aufbau, Wachstum und Zusammensetzung von Depositionen (Silikate und Salze) Implementierung von thermodynamischen Gleichgewichtsberechnungen Zusammensetzung der flüchtigen Aschebildner, Klebrigkeit von Salzpartikeln Abbildung von groben Flugaschepartikeln, Aerosolen und direkter Wandkondensation Kopplung von Wärmetauschermodell und Depositionsmodell Berücksichtigung der Depositionsbildung auch im konvektiven Teil des Wärmetauschers (zukünftig vorgesehen)

19 CFD-Modellierung Aschedepositionen Flammrohr Strahlungsteil Kessel PVZ SLD SVZ RRD PVZ Oberkante Brennstoffbett Qualitative Darstellung von Aschedepositionen an den Wänden einer Biomasse-Rostfeuerung Erläuterungen: Kesselnennleistung 440 kw; Brennstoff Altholz W 27; RRD...Rauchgas-Rezirkulationsdüsen; SLD...Sekundärluftdüsen; PVZ...Primärverbrennungszone; SVZ...Sekundärverbrennungszone; Impaktion von groben Flugaschepartikeln und direkte Wandkondensation, keine Berücksichtigung von Erosion

20 Aktuelle Neuentwicklungen Zusammenfassung und Schlussfolgerungen (I) NO x -Postprozessor Erste Tests mit einem NO x -Postprozessor basierend auf detaillierter Kinetik wurden erfolgreich durchgeführt. Weitere Tests zur Validierung sind notwendig: Zu grobe Vereinfachungen des Festbett-Abbrandmodells Prüfung der Gasphasenkinetik notwendig Zu einfaches Modell für die Basis-Verbrennungssimulation Ein verbessertes Festbett-Abbrandmodell soll implementiert werden. Ein verbessertes Gasphasen-Verbrennungsmodell soll implementiert werden. Ein reduzierter Gasphasen-Mechanismus zur Berechnungszeit- Reduktion soll implementiert werden.

21 Aktuelle Neuentwicklungen Zusammenfassung und Schlussfolgerungen (II) Wärmetauscher-Modellierung Ein Modell für konvektive Wärmetauscherbündel wurde erstellt. Dieses Modell erlaubt ein optimiertes Design von Biomasse-Kesseln und stellt eine wichtige Basis für die nachfolgende Depositionsmodellierung dar. Depositionsmodellierung Ein Depositionsmodell für Biomasse-Rostfeuerungen wird derzeit entwickelt. Das Modell ermöglicht derzeit die Abbildung der Deposition von groben Flugaschepartikeln sowie der Wandkondensation von Aschedämpfen. Als nächster Schritt wird ein Aerosolmodell an die Berechnungen angebunden. Eine Kopplung mit dem Modell für konvektive Wärmetauscher soll durchgeführt werden.

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