Beispiele zum Einsatz numerischer Strömungsrechnung in der Zementindustrie

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1 Beispiele zum Einsatz numerischer Strömungsrechnung in der Zementindustrie M. Cabrera 2), H. Schoeffmann 1), J. Vanderstichelen 2) und M. Weichinger 3) 1) Lafarge CTEC, Wien Gumpendorfer Straße A 1060 Wien 2) Lafarge CTEO Lyon 3) Lafarge DPC Lyon 95, rue Montmurier F St. Quentin Fallavier Kurzfassung Anhand dreier Beispiele, der Optimierung eines Konditionierturmes, der Optimierung der Anströmung eines Tuchfilters und der Simulation eines Kalzinators einer Zementofenanlage wird die Sinnhaftigkeit des Einsatzes von Computational Fluid Dynamics (CFD) für Lafarge, einer Baustofffirma die keinen Anlagenbau betreibt, untersucht. Es zeigt sich, dass für einfachere Aufgabenstellungen der Einsatz von CFD durchaus sinnvoll ist. Mit vertretbarem Aufwand lassen sich zahlreiche Optimierungsvorhaben lösen. Grosse Aufgabenstellungen wie die Simulation eines Kalzinators benötigen einen sehr hohen Aufwand an Ausbildung des Personals und beträchtlichen Aufwand an Hard- und Software. Aus diesem Grund ist für solche Aufgabenstellungen die Zusammenarbeit mit spezialisierten Instituten vorzuziehen. 1. Einleitung Lafarge ist ein Zementwerksbetreiber, ohne eigene Anlagenentwicklung und ohne Anlagenbau. Es stellt sich daher die Frage, ob der hohe Kosten- und Personalaufwand für Strömungssimulation für die verbleibenden Aufgabenstellungen gerechtfertigt ist, zumal spezialisierte Unternehmen und Hochschulinstitute Dienstleistungen auf diesem Gebiet anbieten. Lafarge hat sich daher entschlossen, einige Versuche mit CFD durchzuführen, über die im Folgenden berichtet werden soll. Im Technischen Zentrum in Wien wurden bereits vor mehreren Jahren mit einem relativ günstigen Softwarepaket (Phoenix) begonnen, kleinere strömungstechnische Probleme zu simulieren. In dem für Westeuropa zuständigen technischen Zentrum wird seit einigen Monaten eine komplexe Aufgabenstellung, nämlich die Simulation eines Kalzinators untersucht. Zum Einsatz kommt dabei das bekannte Software Paket Fluent. 75

2 Über die Erfahrungen wird im Folgenden anhand dreier Beispiele kurz berichtet. 2. Beispiele Beispiel 1: Beim ersten Beispiel handelt es sich um einen Konditionierturm in einem polnischen Zementwerk. Die Kühlung war nicht zufriedenstellend, obwohl die Größe der Anlage theoretisch ausreichend war. Eine Erhöhung der eingedüsten Wassermenge führte lediglich zu Schlammbildung. Die Einbauten zur Vergleichmäßigung der Strömung legten sich nach Reinigung schnell mit Staub zu und verschlechterten das Strömungsbild wesentlich. Deshalb wollte das Werk die Einbauten vollständig entfernen. Mittels CFD wurde im Technischen Zentrum in Wien eine Lösung gesucht. Wie in Abbildung 1 (links) zu erkennen, würde ein Betrieb ohne Einbauten eine extrem inhomogene Strömungsverteilung bedeuten. Man erkennt an den Geschwindigkeitsvektoren, dass sich in einigen Bereichen sogar eine Rückströmung ausbildet. In Abbildung 1 (rechts oben) ist eine Simulation mit einem Kegel im Bereich des Gaseintrittes abgebildet. Er bringt zwar eine Verbesserung, aber vor allem im Bereich unterhalb des Kegels ist die Gasgeschwindigkeit wesentlich niedriger als in den mittleren Bereichen. Abbildung 1 (rechts unten) zeigt die Situation nach zusätzlichem Einfügen eines Diffusors am Ende des Eintrittskonus. Die Verteilung ist nun bereits gut, wenngleich im rechten Bereich des Konditionierturmes die Strömungsgeschwindigkeit noch immer geringer ist. Die beste Verteilung ist in Abbildung 2 zu sehen. In dieser Simulation wurde der Kegel durch einen zweiten Diffusor ersetzt. Aus konstruktiven Gründen wurde die Lösung mit Kegel und Diffusor gewählt. Der Diffusor wurde so weit verändert, dass Staubablagerungen in diesem Bereich minimiert werden. Der Konditionierturm arbeitete nach dem Umbau zufriedenstellend. 76

3 Abb. 1: Konditionierturm in einem Zementwerk; Konditionierturm ohne Einbauten (links) mit einem Kegel im Einströmungsbereich (rechts oben) mit Kegel und Diffusor (rechts unten) 77

4 Abb. 2: Konditionierturm in einem Zementwerk; zwei Diffusoren zur Optimierung der Strömung Beispiel 2: Im Lafarge Zementwerk Mannersorf/Österreich wurde der Elektrofilter nach der Rohmühle durch einen Schlauchfilter ersetzt. Relativ kurz vor der Montage äußerte der Lieferant Bedenken hinsichtlich der Rohrleitungsführung. Es bestand die Gefahr eines erhöhten Verschleißes im Filter durch eine ungleichmäßige Beaufschlagung. Da die Rohleitungsführung nicht mehr geändert werden konnte, ohne das Gesamtprojekt zu verzögern, wurde im technischen Zentrum untersucht, ob man mittels Einbauten eine Verbesserung erzielen kann. Durch die komplizierte Leitungsführung im Raum ist es ein Risiko, Einbauten nach Gefühl einzusetzen. Mittels CFD Simulation wurde ermittelt, dass eines langes Leitblech, unsymmetrisch in die Leitung eingebaut, die Situation wesentlich verbessert (rechnerisch ergeben sich vor Einbau Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 8 und 14m/s, danach zwischen 8,5 und maximal 11 m/s). 78

5 In Abbildung 3 ist das Strömungsprofil mit Leitblech dargestellt. Abb. 3: Strömungssimulation in einer Leitung zu einem Tuchfilter nach Einbau eines Leitbleches zur Vergleichmäßigung. Beispiel 3: Es handelt sich um die Simulation eines Kalzinatorsystems in einem französischen Werk von Lafarge. Hauptdaten der Anlage: Produktion 4000 Tonnen Klinker pro Tag Umbau auf Kalzinatorofen 1980 durch Kawasaki Die Anlage hat eine getrennte Kalzinatorflut und arbeitet mit zwei Wärmetauschergebläsen. Der Kalzinator besitzt einen großen Durchmesser mit entsprechend geringer Strömungsgeschwindigkeit. Ein Teil der Tertiärluft tritt von unten in den Kalzinator, ein Teil tritt tangential oberhalb ein. Die Mehlaufgabe erfolgt in die Tertiärluft, direkt vor dem Kalzinator. Für die Brenner sind verschiedene Positionen möglich, derzeit wird die untere Position verwendet. 79

6 Die CFD Simulation hat folgende Zielsetzungen: Generelle Überprüfung der Strömungsverhältnisse mit Hauptaugenmerk auf Tertiärluftverteilung sowie eine Optimierung des Einsatzes von Petrolkoks und stückigen Abfallbrennstoffen. Beides hat sich in diesem Kalzinatortyp als schwierig herausgestellt. Um realitätsnah zu bleiben, wurde beschlossen, den Kalzinator in seiner Gesamtheit - inklusive der hohen Materialbeladung und der Verbrennungsvorgänge - zu simulieren. In Abbildung 4 erkennt man eine der Hauptschwierigkeiten der Simulation. Der Kalzinator mit seinen Leitungen ist etwa 30m hoch. Auch an einfachen Stellen ist eine gewisse Anzahl von Gitterzellen notwendig, um ein richtig iterierendes Modell zu erhalten. In kritischen Bereichen muss das Gitternetz zusätzlich stark verfeinert werden. Dadurch ergibt sich eine hohe Anzahl von Zellen, in diesem Fall rund eine halbe Million. Das System basiert auf zahlreichen Zustandsgleichungen für Strömung, Verbrennung, Wärmetausch, Entsäuerung und Materialtransport. Daraus resultieren hohe Rechenzeiten (ca. 1 Monat auf einem modernen PC mit Doppelprozessor). Abb. 4: Kalzinator mit Lage der Teriärluft-Leitungen und Brenneröffnungen; eingezeichnetes Gitter 80

7 Im Folgenden einige Ergebnisse: In Abbildung 5 ist die Mehlverteilung in der unteren Tertiärluftleitung zu sehen. In diesem Bereich ist offensichtlich die Materialverteilung schlecht, es kommt zu Rückströmungen und möglicherweise auch zu Materialdurchfall. Abb. 5: Mehlverteilung in der unteren Tertiärluftleitung Im oberen Teil der Abbildung 6 sieht man, dass bei der derzeitigen Luftverteilung der von unten eintretende Tertiärluftstrom nur wenig zur Verbrennung im Bereich der Brennstoffaufgabe beiträgt. Eine Optimierung der Tertiärluft ist im unteren Teil der Abbildung 6 zu sehen. Die Partikelverteilung zeigt ein ähnliches Bild (Abbildung 7; Linien im Bild sind Spuren einzelner Partikel). Die tangential eintretende Tertiärluft hält den Partikelstrom in wandnahen Bereichen. Demzufolge ist auch die CO 2 -Verteilung sehr ungleichmäßig (Abbildung 8). Dieser Effekt war bei der Konstruktion des Kalzinators in einem gewissen Maß erwünscht; Auf diese Weise wird das Feuerfestmaterial geschont und der Wärmeübergang verbessert. Wenn auch damals noch nicht so bedeutend, verringert dies die Bildung von Brennstoff NO x, da im Bereich der Verbrennung reduzierende Bedingungen herrschen. Für die Verbrennung von Petrolkoks und stückigen Brennstoffen ist jedoch eine hohe Verbrennungstemperatur notwendig, die auf diese Weise nicht erzielt werden kann. 81

8 Die erzielten Ergebnisse wurden in ihrer prinzipiellen Richtigkeit durch Messungen an der Anlage bestätigt. Absolut sind sie aber unbefriedigend, da sie mit einer geringen Materialbeladung berechnet wurden und sich die Materialmenge gravierend auf das Ergebnis auswirkt. Beim Versuch, die gesamte Materialbeladung mit einzubeziehen, traten Fehler in der Berechnung auf. Nach Rücksprache mit dem Softwarehersteller zeigte sich, das dies mit der bestehenden Version von Fluent nicht zu beheben ist. Die Ergebnisse der bisherigen Berechnungen können wie folgt zusammengefasst werden: Die Mehlverteilung muss optimiert und die Verteilung der Tertiärluftmengen geändert werden. Leider sind alle weiteren Aussagen nicht aussagekräftig, da das Material die Verhältnisse sehr stark beeinflusst. Seitens Fluent ist die Behebung des aufgetretenen Fehlers für die nächste Version zugesagt. a) ursprüngliche Tertiärluftverteilung 82

9 b) optimierte Tertiärluftverteilung Abb. 6: Unterer Teil des Kalzinators (Abbildungen a und b) Abb. 7: Teilchenbahnen im Kalzinator; Teilchen befinden sich hauptsächlich in wandnahen Bereichen, kaum im Zentrum. 83

10 Abb. 8: CO 2 Konzentration in unterschiedlichen Ebenen des Kalzinators 3. Bewertung des CFD Einsatzes für Lafarge Ein Einsatz für kleinere Aufgabenstellungen macht durchaus Sinn, allerdings muss dazu eine Übernahme der Geometrie aus dem CAD System möglich sein. Dies wird von allen Herstellern versprochen und entsprechende Softwaremodule angeboten. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, dass dies nur möglich ist, wenn bereits bei der Konstruktion im CAD auf die Übernahme Rücksicht genommen werden wird. Auch für kleinere Aufgabenstellungen ist es notwendig, einen Spezialisten auszubilden. Sind die Aufgaben zu selten, ist jedes Mal eine Einarbeitungszeit erforderlich. Bei komplexen Aufgabenstellungen ist eine Zusammenarbeit mit spezialisierten Instituten auf jeden Fall überlegenswert, schon deshalb, weil die Rechenzeiten auf PC basierender Hardware zu hoch werden. Software- und Hardwarekosten steigen aber für schnelle Rechner und parallel - processing stark an. Auf Grund dieser Erfahrungen ist die weitere Vorgangsweise in Lafarge noch nicht entschieden. 84

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