Institut für Energieverfahrenstechnik. und Brennstotechnik. Institutsdarstellung. Version 1.3

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1 Institut für Energieverfahrenstechnik und Brennstotechnik Institutsdarstellung Version 1.3

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Langfristige Forschungsthemen Minimierung des Energieverbrauchs und Verringerung des Schadstoausstoÿes in Durchlauföfen Entwicklung einer Brennstodatenbank für konventionelle und Oxyfuel- Feuerungssysteme (Regel- und Alternativbrennstoe inklusive Biomasse, Bioabfälle und Abfallbrennstoe) Verbrennungsverhalten von Alternativbrennstoen in Freistrahlammen und Drallammen, Mitverbrennung von Alternativbrennstoen mit Steinkohlen und Braunkohlen Entwicklung von Brennern und Verbrennungssystemen Verschlackung und Verschmutzung während der Verbrennung von festen Brennstoen in konventionellen und Oxyfuel-Feuerungen Entwicklung brennstospezischer und verfahrensspezischer Unterprogramme für CFD-Vorhersagen industrieller Prozesse Minderung des Energieeinsatzes in der Hochtemperaturverfahrenstechnik Anlagenbeschreibungen Standardmethoden zur Brennstocharakterisierung Speziell entwickelte Methoden zur Brennstocharakterisierung Untersuchungen von festen, üssigen und staubförmigen Brennstoen in einem Drallbrennkammersystem im halb-industriellen Maÿstab Gasbefeuerter Ofen zur MILD (ammenlosen) Verbrennung Computerlabor zur Numerischen Strömungssimulation (computational uid dynamics - CFD) Dissertationen 70 5 Forschungsvorhaben und Forschungspartner 94 6 Veröentlichungen Schriftenreihe Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des IEVB 130

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5 1 Einleitung Das Institut für Energieverfahrenstechnik und Brennstotechnik (IEVB) der Technischen Universität Clausthal ist mit zwei Lehrstühlen ausgestattet. Dabei handelt es sich um den Lehrstuhl für Prozessenergie und Betriebliche Energiewirtschaft sowie den Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Thermische Energieverfahrenstechnik. Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik war bis 2008 mit Prof. Dr.-Ing. Reinhard Scholz besetzt, der im Zeitraum auch Direktor des Instituts war. Seit Oktober 2001 ist der Lehrstuhl für Prozessenergie und Betriebliche Energiewirtschaft mit Prof. Dr.-Ing. Roman Weber besetzt. Diese Stelle war bis zum diesem Zeitpunkt von Prof. Dr.-Ing. Rudolf Jeschar besetzt. Professor Jeschar wurde mit der Neubesetzung emeritiert. Seit 2003 ist Professor Weber geschäftsführender Direktor des Instituts. Das IEVB wurde im Jahr 1963 an der ehemaligen Bergakademie Clausthal mit dem Ziel gegründet, eine hochwertige Ausbildung und Forschung auf dem Gebiet der Wärmeübertragung und der Auslegung von Industrieöfen zu betreiben. Von Anbeginn waren die Aktivitäten des Institutes auf die direkte Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse in der Industrie ausgerichtet. Hauptpartner des IEVB sind universitäre Einrichtungen, weiter Industriebereiche, bei denen gleichzeitig Stobehandlung und der zugehörige Energieeinsatz zu berücksichtigen sind (z.b. Stahl-, Zement-, Bausto-, Glasindustrie), wie auch Industriebereiche, bei denen verschiedene Energiearten in andere umgeformt werden, d.h. Industrien zur Energiebereitstellung (sogenannte Energieerzeugung, Kraftwerke, Prozesswärmeerzeugung, Kraftstoherstellung usw.). Die gegenwärtige Aufgabenstellung des IEVB wird durch die folgende Aussage treend zusammengefasst: Ziel des IEVB ist es, eine hochwertige Lehre und Forschung auf dem Gebiet energiebezogener Probleme in der Verfahrenstechnik anzubieten. Das Institut ist auf die Entwicklung und Optimierung von umweltverträglichen Prozessen im Hinblick auf den Einsatz, die Umwandlung und die Übertragung von Energie spezialisiert. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, modernisiert das Institut laufend seine theoretischen und experimentellen Fähigkeiten. Dieser Vorgang beinhaltet zum einen die Neu- und Weiterentwicklung von Versuchsöfen und deren Ausstattung mit konventionellen und optischen Messmethoden und zum anderen die Entwicklung von auf den jeweiligen Prozess maÿgeschneiderten mathematischen Modellen auf Basis der numerischen Strömungssimulation (computational uid dynamics - CFD). Die Forschungsstrategie des IEVB kombiniert Grundlagenforschung mit Experimenten im halbindustriellen Maÿstab und mit aktuellen theoretischen Entwicklungen. In der vorliegenden Institutsdarstellung werden die langfristigen Forschungsthemen, die Ausstattung des IEVB sowie die Dissertationen seit 2000 vorgestellt. Es folgen Übersichten zu den Forschungsvorhaben, den Kooperationspartnern, den Veröentlichungen und den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des IEVB. 1

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7 - 2 - Forschungsthemen 3

8 2 Langfristige Forschungsthemen 2.1 Minimierung des Energieverbrauchs und Verringerung des Schadstoausstoÿes in Durchlauföfen In den meisten Industrieöfen, in denen die Prozessenergie durch Verbrennung bereitgestellt wird, gibt es noch immer Möglichkeiten zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads durch Wärmerückgewinnung aus den Verbrennungsprodukten oder dem Wärmgut. Die zurückgewonnene Energie wird als sensible Enthalpie mit der Verbrennungsluft in den Ofen eingekoppelt. Dabei wird die Verbrennungsluft häug bis auf Temperaturen von 1300 C vorgewärmt. Abbildung zeigt das Brennstoeinsparpotential als Funktion der Luftvorwärmung und der Ezienz des eingesetzten Rückgewinnungssystems. Abb : Potentielle Brennstoeinsparungen als Funktion der Temperatur der vorgewärmten Luft; die 773 K, 973 K,..., 1773 K sind die Ofenausgangstemperaturen vor dem Regenerator oder dem Rekuperator; ω ist die Rekuperatorbzw. Regeneratorezienz Jedoch steigen die Stickoxidemissionen aufgrund der hohen Lufttemperaturen rapide an, weshalb Maÿnahmen erforderlich sind, um diese Emissionen in den Gri zu bekommen. Die Technologie, die das ermöglicht, wird MILD (Moderate or Intense Low-oxygen Dilution) Verbrennung genannt und ist Gegenstand unserer Untersuchungen. Abbildung zeigt einen Vergleich des spezischen Energieverbrauchs zwischen konventioneller Technologie und MILD-Verbrennung am Beispiel eines Durchlaufofens mit einem Durchsatz von 300 Tonnen Stahl pro Stunde. 4

9 Abb : Potentielle Brennstoeinsparungen beim Austausch konventioneller Brennertechnolgie durch MILD-Brenner in Durchlauföfen Abbildung zeigt die Reaktionszone eines mit Erdgas befeuerten Brenners im MILD- Betrieb. Aufgrund der räumlichen Trennung von Erdgasdüsen und Luftdüse vermischen sich sowohl Brennsto als auch Luft in hohem Maÿe mit im Brennraum zurückströmenden Abgasen, bevor sie aufeinander treen und reagieren. Dies hat den Eekt einer milden Verbrennung, welche durch einen moderaten Anstieg der Ofentemperatur und eine erhebliche Verringerung von Temperaturspitzen und -uktuationen charakterisiert ist. Niedrige Emissionen an NO x und CO 2 (aufgrund der Brennstoeinsparung), geringe Geräuschemissionen und eine homogenes Wärmestromprol zeichnen die MILD-Verbrennung aus. Die Methode der Flammenlosen Verbrennung ist der MILD-Verbrennung sehr ähnlich da, beide in der Praxis mit dem Verschwinden von sichtbaren Flammen assoziiert werden. Die direkten technischen Zielsetzungen des Projektes sind: (a) Die Ermittlung der für die Anwendung in Durchlauföfen relevanten Eigenschaften der MILD-Verbrennung und die Entwicklung von Strategien, um diese Eigenschaften gezielt kontrollieren zu können. (b) Die Untersuchung des Einusses der MILD-Verbrennung auf die Produktqualität (c) Das Erstellen umfangreicher experimenteller Datensätze (Strömungsfelder, Konzentrationsfelder, Wärmeübertragung) zur Validierung mathematischer Modelle (siehe Forschungsthema 2.6) (d) Beurteilung verschiedener Brennertechnologien mit Hilfe eines Versuchsofens (siehe 3. Anlagen) 5

10 Abb : MILD Verbrennung (0.5 MW thermische Leistung) (1. Erdgasdüse, 2.Luftdüse, 3. Verbrennungszone) 2.2 Entwicklung einer Brennstodatenbank für konventionelle und Oxyfuel-Feuerungssysteme (Regel- und Alternativbrennstoe inklusive Biomasse, Bioabfälle und Abfallbrennstoe) Trotz aller neuen Energiekonversions-Technologien und neuer Ersatzbrennstoe bleiben auf dem Energieumwandlungs-Sektor die fossilen Brennstoe für die nächsten Jahrzehnte weiterhin wichtig. Auf dem Brennstomarkt wird eine Vielzahl unterschiedlicher Kohlen angeboten, allerdings erlangen auch hier - aufgrund verstärkter Nutzung - Biomasse und aus Abfall gewonnene Brennstoe (Refuse Derived Fuels - RDF) wachsende Bedeutung. Alle diese Brennstoe weisen erhebliche Unterschiede in ihrer Zusammensetzung, in ihren Eigenschaften und damit im Verhalten bei der Verbrennung auf. Die Verwendung eines unbekannten Brennstoes könnte zu ernsthaften Problemen beim Betrieb von Brennstokesseln führen und ungeplante Abschaltungen verursachen. Vor der Einführung neuer Technologien oder Änderungen an den Brennstokesseln werden daher heute häug vorab CFD-Simulationen durchgeführt, um einen frühzeitigen Einblick in mögliche Probleme zu erhalten. Sowohl die groÿe Vielfalt von Brennstoen wie auch die Notwendigkeit zuverlässige CFD- Simulationen zu erstellen, machen es notwendig, neue Verfahren zur Charakterisierung fester Brennstoe zu entwickeln, da die Standard-Analysemethoden hierfür nicht ausreichen. Es gibt eine Reihe von nicht-standardisierten Methoden, wie z.b. beheizte Drahtgitter, Thermogravimetrische Analyse (TGA), Fallrohrreaktoren und Wirbelschichtreaktoren. Mit diesen Methoden ergeben sich auch verschiedene Arten von Datenmaterial. Um aussagekräftige Daten zu bekommen, muss eine einheitliche und standardisierte Me- 6

11 thode entwickelt werden, die es erlaubt, bei Einführung verschiedener Annahmen und Vereinfachungen die komplizierten Phänomene der Verbrennung fester Brennstoe vorherzusagen. Die an der TU Clausthal verwendete Methode der fortgeschrittenen Brennstocharakterisierung basiert auf zwei Vertikalreaktoren, dem Isothermal Plug Flow Reactor (IPFR) und der Down-Fired 50 kw Combustion Chamber (DFCC). Ziel ist es, eine Datenbank für feste Brennstoe mit erweiterten Charakteristiken für Verschmutzung und Verschlackung zu erstellen, die als Grundlage für CFD-Berechnungen dienen soll. Eine technische Beschreibung beider Anlagen ist in Kapitel 3 zu nden. Der elektrisch beheizte IPFR ermöglicht die Untersuchung der Verbrennung fester Brennstoe aufgetrennt in die Phasen Entgasung und Ausbrand des bei der Entgasung erzeugten Kokses. Die Durchführung als separate Experimente erlaubt einen vertieften Einblick in diese beiden Prozesse durch die Möglichkeit einer systematischen Variation der Parameter. Durch die Variation der Parameter Temperatur, CO 2 -, O 2 - und Wasserdampfmenge ergibt sich die Möglichkeit, neue CFD-Verbrennungsmodelle zu entwickeln. Die zweite Anlage DFCC verwendet eine mehr realistische Prozedur, bei der der Brennsto in einer Flamme verbrannt wird, so dass Entgasung und Koksverbrennung gleichzeitig stattnden. Die DFCC Experimente erlauben die Bestimmung der Stabilität der Flamme, des Zündverhaltens, von Schadstoemissionen und die Verschlackungs-/Verschmutzungsneigung. Messdaten von dieser Anlage können zur Erstellung erster CFD- Modelle und erster Simulationen verwendet werden. Beide Aggregate bieten verschiedene Arten von Daten und ergänzen einander. Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen diesen beiden Anlagen sind verschiedene Prole von Temperatur und Sauersto entlang ihrer Länge (Abbildung 2.2.1). Abb : Vergleich der Temperatur- und O 2 -Konzentration an den Anlagen IPFR und DFCC 7

12 Die Anlage IPFR gewährleistet entlang der Reaktorlänge eine konstante Temperatur sowie eine konstante Sauerstokonzentration, so dass die zugeführten Brennstopartikel immer die gleichen Konditionen erfahren. Die entsprechenden Prole am DFCC unterscheiden sich deutlich: in der Flammenregion sinkt die Sauerstokonzentration deutlich ab, um bis zur Nachverbrennungszone einen stabilen Wert zu erreichen. Das Temperatur-Prol zeigt hohe Werte in der Flammenregion, während die Temperatur in der Nachverbrennungszone deutlich niedriger ist. Beide Anlagen erlauben Untersuchungen in unterschiedlichen Atmosphären, um verschiedene Verbrennungstechniken zu simulieren wie z.b. das Oxy-Fuel-Verfahren. Zusammen liefern beide Reaktoren so genügend Daten, um fortgeschrittene CFD-Modelle zu entwickeln und komplexere Berechnungen durchzuführen (2.2.2). Abb : Experimentelle und theoretische Untersuchungen von Feuerungsanlagen. 8

13 2.3 Verbrennungsverhalten von Alternativbrennstoen in Freistrahlammen und Drallammen, Mitverbrennung von Alternativbrennstoen mit Steinkohlen und Braunkohlen Die Verwendung von Alternativbrennstoen hat in der letzten Zeit in der Kraftwerksindustrie und in der Hochtemperaturtechnikindustrie zur Stobehandlung an Bedeutung gewonnen. Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens sind Alternativbrennstoe bedeutend billiger als Primärenergieträger und können daher aus ökonomischen Gründen sehr attraktiv sein. Hierfür ist die Zementindustrie ein gutes Beispiel, in der auf diese Weise schon eine groÿe Anzahl an Anlagen mit erheblich reduzierten Brennstokosten betrieben wird. Zweitens ist die Reduzierung des Ausstoÿes von Treibhausgasen aus Gründen des Umweltschutzes ein wichtiges Anliegen geworden. Der kürzlich eingeführte Emissionshandel soll einen Marktmechanismus in Gang setzen, der umweltverträgliche Technologien vorantreibt. Aus diesen Gründen ist absehbar, dass Alternativbrennstoe in der europäischen Industrie und unter Umständen auch weltweit in den folgenden Jahren immer weiter an Bedeutung gewinnen werden. Biomasse, Klärschlamm, EBS (Ersatzbrennsto aus Abfall) oder Kunststoe werden als typische Alternativbrennstoe zur Mitverbrennung angesehen. In der stromerzeugenden Industrie ist die Mitverbrennung von Alternativbrennstoen mehr und mehr zum Standard geworden. Dennoch ist der Anteil der mit diesen, meist zusammen mit Kohle zum Einsatz kommenden, Brennstoen erzeugten Energie an der Gesamtenergie heute gering. Der Grund dafür sind viele Betriebsprobleme, die bei der Mitverbrennung von Alternativbrennstoen in Staubfeuerungen auftreten können (siehe Abbildung 2.3.1). Abb : Mögliche Problemfelder während der Mitverbrennung von Alternativbrennstoen in einem typischen Steinkohlekessel 9

14 In der Stahlindustrie ist bereits die Verbrennung von Kunststoen in Hochöfen versucht worden, während sich die Mitverbrennung von Gasen mit niedrigem Heizwert, welche in Vergasungsanlagen produziert werden, bereits als brauchbare technische Option erwiesen hat. Aufgrund der steigenden Bedeutung von Alternativbrennstoen sind am IEVB mehrere Verfahren zu deren Charakterisierung entwickelt worden. Eine genaue Kenntnis der Brennstoeigenschaften und des Verbrennungsverhaltens ist für die Konzipierung und den Entwurf zuverlässiger und ezienter Verbrennungs- oder Vergasungsanlagen und Mitverbrennungstechnologien zwingend erforderlich. Zum Zweck der Brennstocharakterisierung sind am IEVB mehrere Labortechniken entwickelt worden. Dazu gehören der Clausthaler Mahlbarkeitstest, die Charakterisierung des Zündverhaltens in einem Zündofen und die Charakterisierung des Verbrennungsverhaltens in vertikalen Technikums- und Pilotbrennkammern, hierbei wird insbesondere auf das Entgasungs-, Ausbrands-, Emissions-, und Verschlackungsverhalten eingegangen. Die experimentellen Anlagen für die Untersuchungen werden näher im Kapitel 3 beschrieben. Zu den bereits untersuchten und teilweise auch mit Steinkohlen mitverbrannten Alternativbrennstoen gehören z. B. Klärschlamm, Holz, Sägemehl, Olivenkerne, EBS (Ersatzbrennsto aus Abfall), Tiermehl, Kaeereste, Tabakreste, Gärreste aus einer Biogasanlage. Abbildungen und zeigen exemplarisch Ergebnisse des Zündverhaltens und des Verbrennungsverhaltens von ausgewählten Alternativbrennstoen, einer Steinkohle und ihren Mischungen. Abb : Untersuchung des Zündverhaltens von Steinkohle, Klärschlamm und ihren Mischungen (thermische Anteile) in einem Zündofen 10

15 Abb : Verbrennungsverhalten von ausgewählten Alternativbrennstoen (Tabakreste und EBS) im Vergleich mit einer Steinkohle: Temperaturprol, O 2 - Konzentration, CO-Emission und Anteil an der unverbrannten brennbaren Substanz in der Asche sind als Funktion der axialen Distanz vom Brenner dargestellt 2.4 Entwicklung von Brennern und Verbrennungssystemen Vor dem Hintergrund steigender Energiepreise und sinkender Emissionsgrenzwerte, aber auch durch höhere Qualitätsanforderungen an die Produkte oder veränderte Produktionsbedingungen rückt in der Kraftwerksindustrie und in der Hochtemperaturverfahrenstechnik die Entwicklung exibler Brenner und Verbrennungstechnologien mit optimiertem Energieverbrauch in den Fokus des Interesses. Die Entwicklung und Untersuchung von emissionsarmen Brennern und energieezienten Feuerungstechnologien sind einer der Schwerpunkte der Arbeiten am IEVB. Dabei steht insbesondere die Nutzung von festen und üssigen Alternativbrennstoen im Vordergrund. Eine Vielzahl von Prüfständen zur Entwicklung und Untersuchung von Verbrennungsprozessen bis zu einer thermischen Leistung von 1 MW stehen im IEVB zur Verfügung. Darüber hinaus begrenzt sich die Auslegung von Brennern und Verbrennungstechnologien oft nicht nur auf die emissionsarme und eziente Verbrennung, sondern ist mit weiteren Zielsetzungen gekoppelt, wie z.b. mit Rückgewinnung von Wertstoen und Wertmetallen im Verbrennungsprozess. Ein Beispiel stellt ein Forschungsvorhaben dar, das im Zeitraum in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Industrieunternehmen im IEVB durchgeführt wurde. Das Projekt befasste sich mit experimentellen und theoretischen Untersuchungen 11

16 zur Rückgewinnung eines Refraktärmetalloxids (R x O y ) durch Verbrennung einer organischen refraktärmetallhaltigen Komplexlösung. Im Projekt wurden einzelne notwendige Verfahrensschritte betrachtet, die eine erfolgreiche Rückgewinnung von R x O y durch die Verbrennung eines refraktärmetallhaltigen Flüssigrückstands ermöglichen. Dazu gehören: Brennstovorbereitung, Homogenisierung und Dosiersystem, Brennerauslegung und Auswahl eines geeigneten Brennstozerstäubers, Zündung des Brennstoes, gezielte Verbrennungsführung mit Luftstufung und Abgasrezirkulation für die Minimierung der NO x -Emissionen sowie notwendige Kühlmechanismen zur Ausbildung gewünschter Kristallstrukturen und Korngröÿen. Die experimentellen Untersuchungen wurden in zwei Verbrennungsbrennkammern durchgeführt: im Technikumsmaÿstab in der 50 kw vertikalen Brennkammer (DFCC, siehe Abbildung 2.4.1) und in einer 500 kw Brennkammer im halbtechnischen Maÿstab (TBK, Abbildung 2.4.2). In der ersten Phase wurden in der DFCC zunächst 300 kg des üssigen Ausgangsstos verbrannt. Im weiteren Projektverlauf wurden dann in mehreren Kampagnen insgesamt 10 Tonnen des Ausgangsstos verbrannt. Abb : Schematische Darstellung der 50 kw vertikalen Brennkammer (DFCC) 12

17 Abb : Schematische Darstellung der 0.5 MW Pilotdrallbrennkammer Abbildung zeigt die in der DFCC bei der Verbrennung der Refraktärmetallkomplexlösung gemessene Abgaszusammensetzung und Emissionen. Das in der DFCC im Kassetten-Gewebe-Filter kistallisierte Refraktärmetalloxid (R x O y ) ist in Abbildung zu sehen. Die Rückgewinnungsrate des Refraktärmetalloxids betrug 2-3 % des verbrannten Einsatzstoes. Abbildung zeigt den Restkohlenstogehalt in dem kristallisierten R x O y als Funktion der Versuchszeit in der 500 kw Brennkammer. Für die weitere chemische Verarbeitung des kristallisierten Refraktärmetalloxids zu reinem Refraktärmetall war ein C-Gehalt unterhalb eines gegebenen Grenzwerts notwendig. Abb : Abgaskonzentration und Emissionen entlang der Brennkammer 13

18 Abb : Kassetten-Gewebe-Filter mit dem kristallisierten R x O y Abb : Restkohlenstogehalt im kristallisierten R x O y mit Zielwert C-Gehalt Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden theoretische Untersuchungen mit kommerzieller CFD-Software durchgeführt, die die Brennerauslegung und den Ver- 14

19 brennungsprozess optimiert haben. Abbildung zeigt exemplarisch ausgewählte Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen: Temperaturprol in der halbtechnischen Brennkammer, Gasströmungslinien in der Brennkammer, brennende Brennstotropfen in der Brennkammer. Im weiteren Projektschritt wurde das Wachsen der Korngröÿe von Refraktärmetalloxidkristallen untersucht. Der Prozess des Kristallwachsens wurde durch gezielte Kühlung des Abgasstromes mit Wasser- und Lufteindüsung in der Kristallisationszone gesteuert (siehe Abbildung 2.4.7). Das Ziel der Projektphase war die Bildung von ausreichend groÿen Refraktärmetalloxidkristallen in der Kristallisationszone, die ohne Probleme im Gewebeschlauchlter aus dem Abgasstrom abgeschieden und in weiteren verfahrenstechnischen Schritten zu reinem Refraktärmetall bearbeitet werden konnten. Abbildung zeigt qualitativ drei verschiedene Abkühlgeschwindigkeiten des Abgases in der Kristallisationszone. Abbildung zeigt Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von kristallisierten Refraktärmetalloxidkristallen bei den drei Abkühlgeschwindigkeiten des Abgases. Nur die gröbsten auf der Abbildung 2.4.9B gezeigten R x O y -Kristalle waren aufgrund der Abscheidung im Gewebeschlauchlter akzeptabel. Abb : CFD Modellierung, A) Temperaturprol in der industriellen Brennkammer, B) Gasströmungslinien in der Brennkammer, C) brennende Brennstotropfen in der Brennkammer 15

20 Abb : Kristallisationszone mit Wasserlanzen für die Abgaskühlung Abb : Drei verschiedene Abgasabkühlgeschwindigkeiten in der Kristallisationszone 16

21 Abb : REM-Aufnahmen von Refraktärmetalloxidkristallen bei drei verschiedenen Abkühlgeschwindigkeiten: A) Einfache Kühlrate, B) Doppelte Kühlrate und C) Dreifache Kühlrate 2.5 Verschlackung und Verschmutzung während der Verbrennung von festen Brennstoen in konventionellen und Oxyfuel-Feuerungen Trotz vieler Forschungsaktivitäten in den letzten Jahren stellen die Ascheablagerungsprobleme nach wie vor eine groÿe Herausforderung bei der Verbrennung von festen Brennstoen in Staubfeuerungen dar. Die Bildung von unerwünschten Ansätzen an Oberächen des Wärmetauschers und den Brennkammerwänden einer Feuerung ist wegen der ökonomischen und betrieblichen Aspekte von sehr groÿer Bedeutung für Kraftwerksbetreiber. Insbesondere die Änderung der Brennstoqualität infolge der Mitverbrennung von Alternativbrennstoen kann die Ascheablagerungsprozesse erheblich beeinussen. Unachtsame Mitverbrennung von schwierigen Alternativbrennstoen kann negative Auswirkungen auf die Beständigkeit und Verfügbarkeit des Kessels haben und im schlimmsten Fall eine ungeplante Kesselabschaltung verursachen. Die Verbrennung der festen Brennstoe unter Oxyfuel-Bedingungen kann auch wesentlich das Verschlackungs- und Verschmutzungsverhalten ändern. Der Forschungsbedarf auf dem Gebiet der Ascheablagerung ist nach wie vor groÿ und ein besseres Verständnis der Verschlackungs- und Verschmutzungsprozesse ist unerlässlich. Das Ziel der Forschung im IEVB auf diesem Gebiet ist die Durchführung von umfangreichen Untersuchungen zum Ascheablagerungsverhalten während der Verbrennung und Mitverbrennung von verschiedenen Alternativbrennstoen (z.b. Sägemehl, Klärschlamm, 17

22 Ersatzbrennsto aus Abfall (EBS)) sowie mit Regelbrennstoen wie Steinkohle oder Braunkohle. Es wird eine übergreifende experimentelle Datenbank erstellt, die chemische Eigenschaften der Flugasche und Ascheablagerungen, Ablagerungsgeschwindigkeiten, physikalische Struktur der Ascheablagerungen und Druckfestigkeit von Ascheablagerungen beinhaltet (siehe auch Forschungsthema 2.2). Die Untersuchungsmethodik enthält verschiedene experimentelle Schritte, wie z.b.: 1) Laboranalysen von untersuchten Brennstoen, Laboraschen, Flugaschen und Ascheablagerungen, 2) experimentelle Untersuchungen des Ascheablagerungsverhaltens unter Verbrennungsbedingungen in Brennkammern, 3) Untersuchung des Sinterverhaltens in einem Sinterofen. Ein Schwerpunkt der Forschung stellt die Untersuchung des Ascheablagerungsverhaltens unter eindeutig denierten und reproduzierbaren Verbrennungsbedingungen in vertikalen Brennkammern im Technikums- und Pilotmaÿstab dar. Hierbei werden sowohl die konventionelle Staubverbrennung als auch die neuen Verbrennungstechnologien wie Oxyfuel- oder ammenlose Verbrennung untersucht. Die untersuchten Betriebspunkte decken die für einen modernen Staubkohlekessel typische Bandbreite der thermischen Bedingungen in Bezug auf Temperatur der Ablagerungsoberäche, Abgastemperatur und Partikelverweilzeit ab. Die chemischen und physikalischen Ablagerungsstrukturen und die Ablagerungsgeschwindigkeiten werden systematisch als Funktion der Temperatur der Ablagerungsoberäche, Gastemperatur und Partikelverweilzeit interpretiert. Abbildungen und zeigen exemplarisch Ergebnisse aus einem früheren Projekt (Ascheschmelzverhalten und Verschlackungsintensität), in dem Verschlackungsprozesse während der Mitverbrennung von Klärschlamm, Sägemehl und EBS mit einer Steinkohle untersucht wurden. Abb : Einuss der Mitverbrennung von Klärschlamm mit einer Steinkohle auf das Ascheschmelzverhalten der Mischbrennstoe 18

23 Abb : Einuss der Mitverbrennung auf die Ablagerungsmasse bezogen auf die Ablagerungsäche während der Mitverbrennung von Klärschlamm mit einer Steinkohle Abbildung zeigt Fotos von Ascheablagerungen, die während der Mitverbrennung von Sägemehl und Klärschlamm mit Steinkohle auf Ablagerungssonden mit verschiedenen Oberächentemperaturen gesammelt wurden. Abb : Fotos von Ascheablagerungen gesammelt während der Mitverbrennung von zwei Alternativbrennstoen (Sägemehl und Klärschlamm) mit einer Steinkohle auf Ablagerungssonden mit zwei verschiedenen Temperaturen der Ablagerungsäche 19

24 Neben den experimentellen Untersuchungen werden in der Simulationsarbeitsgruppe des IEVB CFD-basierte Ascheablagerungsmodelle entwickelt. Die Modelle beinhalten die Staubverbrennung, Mineralumwandlung, Partikeltransport in der Abgasströmung und Auftre- und Haftwahrscheinlichkeit der Partikel auf der Ablagerungsoberäche. Abbildung zeigt exemplarisch die vorhergesagte Aschekonzentration in einer vertikalen Technikumsbrennkammer während der Kohleverbrennung. Abb : CFD Modellierung, Aschekonzentration [kg/m 3 ] in einer vertikalen Brennkammer während Verbrennung von einer Steinkohle 2.6 Entwicklung brennstospezischer und verfahrensspezischer Unterprogramme für CFD-Vorhersagen industrieller Prozesse MILD- / Flammenlose Verbrennung Die mathematische Modellierung von Industrieprozessen ist ein Gebiet, auf dem das IEVB in den letzten Jahrzehnten einen beträchtlichen Erfahrungsschatz aufgebaut hat. Dabei hat in der letzten Zeit eine Konzentrierung auf die Entwicklung und Auswertung von Computational Fluid Dynamics (CFD)-Codes stattgefunden, welche simultan Strömungsfelder, Wärmeübertragung und Verbrennungschemie berechnen können. In diesem Zusammenhang wird der MILD-Technologie (Moderate or Intense Low-oxygen Dilution) besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da noch ein Mangel an mathematischen Modellen besteht, welche diese neue Art der Verbrennung zuverlässig beschreiben können. Das ultimative Ziel ist die Entwicklung einer Software zur Auslegung von Industrieöfen mit MILD-Technik. Die Software soll neben zuverlässigen Vorhersagen von Strömungs-, Temperatur- und Konzentrationsfeldern auch eine belastbare Berechnung des Schadstoausstoÿes (NO x und CO) ermöglichen. Es gibt kaum F&E Gruppen die zum jetzigen Zeit- 20

25 punkt dazu in der Lage sind; daher existiert ein intensiver Wettbewerb zwischen einigen wenigen Forschungsinstituten und Universitäten, die auf diesem Gebiet arbeiten. Es ist wichtig zu verstehen, dass die in aktuellen CFD-Programmen implementierten Verbrennungsmodelle kaum unter MILD-Bedingungen anwendbar sind. Der Hauptgrund dafür ist, dass diese konventionellen Verbrennungsmodelle aus kinetischen Datensätzen abgeleitet sind, welche für den Ablauf von Reaktionen im Bereich sehr hoher Temperaturen (> 1400 C) erstellt wurden. Im Gegensatz dazu nden die Verbrennungsreaktionen im MILD-Betrieb bei wesentlich geringeren Temperaturen und in einer stark mit Abgas verdünnten Atmosphäre statt. Daher werden neue Unterprogramme benötigt, die diese im Vergleich zu konventionellen Flammen veränderten Bedingungen realitätsnah beschreiben können. Weiterhin ist eine umfassende Erprobung solcher neuen Modelle erforderlich, um deren Gültigkeitsbereich eingrenzen zu können. In diesem Zusammenhang sind die Ergebnisse der im Forschungsthema 2.1 beschriebenen experimentellen Untersuchungen von fundamentaler Bedeutung. Als CFD-Programm kommt standardmäÿig FLUENT zum Einsatz. Der Code wurde um eine Vielzahl von anwendungsspezischen Unterprogrammen erweitert, welche am IEVB entwickelt wurden. Stationäre Simulationen eines 580 kw Brenners im MILD- Betrieb sind erfolgreich zum Abschluss gebracht worden. Dabei wurden unterschiedliche Verbrennungs- und NO x -Modelle benutzt und miteinander verglichen. Detaillierte Berechnungen bezüglich der Verbrennungschemie werden mit dem Programm ReactionDesign CHEMKIN durchgeführt. Der Gesamtansatz des IEVB bei der mathematischen Modellierung ist eine Kopplung von FLUENT und CHEMKIN, wobei jedes der beiden Programme so eingesetzt wird, dass die jeweiligen Stärken bestmöglich ausgenutzt werden: Mit FLUENT erfolgt die Berechnung von Strömungs- und Temperaturfeldern bei sehr guter Ortsauösung. Trotz stetiger Fortschritte in der Computertechnik ist dies auch auf modernen Hochleistungsrechnern nur unter Verwendung von Verbrennungsmodellen möglich, die auf teilweise groben Vereinfachungen der Reaktionsmechanismen basieren. Der CHEMKIN-Ansatz verfolgt eine umgekehrte Philosophie: Öfen werden mittels grundsätzlicher strömungsmechanischer Betrachtungen in charakteristische Zonen unterteilt und als Reaktornetzwerke dargestellt (siehe Abbildung 2.6.1). Bei der Berechnung eines Ofens mittels eines solchen Reaktornetzwerks können umfangreiche Mechanismen mit mehreren hundert Einzelreaktionen berücksichtigt werden. Auf diese Weise werden wertvolle Informationen über die Hauptbildungspfade für NO x und CO gewonnen. Die Ergebnisse beider Modellierungsansätze werden untereinander und mit Messergebnissen verglichen. 21

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