Prozessoptimierung für eine Vorcalcinieranlage der Zementindustrie

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1 Titel Energieprozesstechnik Ruhr- Prozessoptimierung für eine Vorcalcinieranlage der Zementindustrie Grlagen u. Folie 1 DVV Fachausschuss-Sitzung Grlagen 9. November 2006

2 Inhalt Motivation Kernprozess der Zementherstellung Energieprozesstechnik Ruhr- Turbulente Zweiphasenströmung Energieübertragung durch Strahlung Calcinierung Sulfatierung NO x -Minderung Simulation des Gesamtprozesses Grlagen u. Zusammenfassung Ausblick Folie 2

3 Projekt-Organigramm Projekt-Patenschaft VDZ Forschungsinstitut der Zementindustrie Düsseldorf Projekt-Durchführung Forschungsstelle 1 Forschungsstelle 2 Energieprozesstechnik Ruhr- Ruhr- Energieprozesstechnik Projektbegleitender Ausschuss Grlagen u. Dipl.-Ing. M. Becker, Teutonia Zementwerk AG, Hannover Dr. H. Rosemann, Spenner Zement GmbH & Co. KG, Erwitte Dipl.-Ing. S. Thomas, Rohrbach Zement GmbH & Co. KG, Dotternhausen Dipl.-Ing. K. Bauer, Schwenk Zement KG, Ulm Dipl.-Ing. R. Hartmann, HeidelbergCement AG, Heidelberg Dr.-Ing. Ch. Wysotzki, Dyckerhoff AG, Wiesbaden Dr.-Ing. V. Hoenig, Verein Deutscher Zementwerke e. V., Düsseldorf Dr. rer. nat. S. Schäfer, Verein Deutscher Zementwerke e. V., Düsseldorf Folie 3

4 Projekt-Organigramm Projekt-Durchführung Forschungsstelle 1 Forschungsstelle 2 Ruhr- Energieprozesstechnik Ruhr- Energieprozesstechnik Projektleiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. V. Scherer Projektleiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Görner Projektbearbeiter Dipl.-Ing. T. Severin Projektbearbeiter Dipl.-Ing. M. Hillers Grlagen u. Bearbeitungsschwerpunkte Calcinierung, Sulfatisierung NOx-Entstehung Gesamtberechnungen (LORA) Bearbeitungsschwerpunkte Turbulenz hochbeladener Strömungen Strahlungsmodellierung Gesamtberechnungen (FLUENT) Folie 4

5 Projektziele Ergänzung aufwändiger Versuche an Pilot- Produktionsanlagen durch CFD-Simulationen Energieprozesstechnik Ruhr- Ersatz fossiler Brennstoffe durch Sekärbrennstoffe Minderung der NO x -Bildung Betriebliche Optimierung Grlagen u. Folie 5

6 Kernprozess der Zementherstellung Energieprozesstechnik Ruhr- Grlagen u. Folie 6

7 Kernprozess der Zementherstellung Trockene Aufgabe Rohmehl Energieprozesstechnik Ruhr- Zyklonvorwärmerstufen Brennstoff Brennstoff Calcinator Tertiärluftleitung Grlagen u. Drehrohr Klinker Kinkerkühler Folie 7

8 Kernprozess der Zementherstellung - Calcinator Oberluft Mehl Energieprozesstechnik Ruhr- Tertiärluft Grlagen u. Braunkohle Gas (aus Drehrohr) SBS Folie 8

9 Aufgabenstellung Teilaufgaben Energieprozesstechnik Ruhr- Grlagen u. Folie 9

10 Aufgabenstellung Turbulenzmodellierung für hochbeladene, turbulente Strömung Strahlungsmodellierung für optisch dichte Medien Energieprozesstechnik Ruhr- Integration von Modellen für - Calcinierung - Sulfatisierung -NO x -Bildung Validierung der Modelle mit Betriebsdaten realer Calcinatoren Zuverlässige Simulation realer Calcinatoren Grlagen u. Optimierung des Calcininator-Betriebs Folie 10

11 Turbulenzmodellierung Beschreibung Energieprozesstechnik Ruhr- der turbulenten Zweiphasenströmung Grlagen u. Folie 11

12 Turbulenzmodellierung Mittlere Gasbeladung im Calcinator: β > 1 kg Feststoff / kg Gas starke Wechselwirkungen zwischen den beiden Phasen (Turbulenzmodulation) St Energieprozesstechnik Ruhr geringe Auswirkungen auf die Turbulenz Partikeln erhöhen die Turbulenz Partikeln dämpfen die Turbulenz Betriebsbereich des Calcinators 10-2 Grlagen u. Ein-Weg- Kopplung verdünnt Zwei-Wege- Kopplung Vier-Wege- Kopplung dicht φ Folie 12 φ: Volumenanteil der dispersen Phase St = Partikelrelaxationszeit Kolmogorov-Zeitmass

13 Turbulenzmodellierung Standard-Turbulenzmodell (k-ε-modell) einphasig k-gleichung ε-gleichung Energieprozesstechnik Ruhr- zusätzliche Quellterme für k ε zur Beschreibung der Turbulenzmodulation Hamill & Malin S k 2 ρ s ϕg ϕs k = τ e 1 τ p τ e + τ p S C ρ s ϕg ϕs ε τ p 2 ε 3 ε = 1 τ e τ + e τ p Grlagen u. Tu & Fletcher S k B ( ) k τ p Bε τ p τe 2 k ρ / τ 1 e ( ) = τe Sε 2 ε ρ p / τ p 1 e = s p ϕ s : Volumenanteil der Partikelphase, τ p : Partikel-Ralaxationszeit, τ e : Eddy lifetime Folie 13

14 Energieprozesstechnik Ruhr- Turbulenzmodellierung Berechnete kin. Turbulenzenergie in zwei Ebenen des Calcinators Kin. Turb.energie k [m 2 /s 2 ] Grlagen u. Partikeleinfluss auf Turbulenzdämpfung qualitativ vorhersagbar Folie 14

15 Strahlungsmodellierung Beschreibung Energieprozesstechnik Ruhr- der Energieübertragung durch Strahlung Grlagen u. Folie 15

16 Energieprozesstechnik Ruhr- Strahlungsmodellierung Partikeln in Gasphase suspendiert Streueffekte Medium wird zunehmend optisch dichter Element steht mit weiter entfernten Elementen nicht mehr in direktem Strahlungsaustausch Grenzfall : optisch sehr dichtes Medium Strahlungsaustausch nur mit benachbarten Elementen Grlagen u. Modellierung der 2-Phasen-Dispersion als quasi-einphasiges Medium Berechnung der optischen Eigenschaften mittels Mie-Theorie Folie 16

17 Strahlungsmodellierung Gesamtstrahlungsintensität Energieprozesstechnik Ruhr- Fluss-Modell Diffusionsmodell (Rosseland) q r : Strahlungswärmestrom G: Einfallende Strahlung a: Absorptionskoeffizient σ: Streuungskoeffizient l: char. Abmessung Grlagen u. Folie 17

18 Strahlungsmodellierung T [K] 1673 Diffusions-Modell s = 0,2 s = 0,5 s = 1 Fluss- Modell Energieprozesstechnik Ruhr- 473 Bereich bester Übereinstimmung Grlagen u. Folie 18

19 Reaktionsmodellierung Beschreibung Energieprozesstechnik Ruhr- der ablaufenden Reaktionen Kohleabbrand Calcinierung Grlagen u. Sulfatisierung NO x Folie 19

20 Reaktionsmodellierung Calcinierung, Sulfatisierung Schwerpunkte der Untersuchungen am LEAT Calcinierung Sulfatierung Kohleverbrennung NO x -Bildung Energieprozesstechnik Ruhr- Grlagen u. Folie 20

21 Energieprozesstechnik Ruhr- Grlagen u. Kohleverbrennung Einfaches Pyrolysemodell: dm dt vol = A vol kvol,, 0 exp RmTP m Intrinsisches Koksausbrandmodell: 100% (spez. innere Oberfläche wird berücksichtigt) dm dt char = A p p ox Char Burnout [%] k k 80% diff diff 60% Erweiterung mit CBK Modell: Aschefilmbildung thermische Deaktivierung 40% statistische Verteilung der Reaktivität 20% 0% E k + k kin,int kin,int vol H 2 O H 2 O, CH 4, CO, CO 2, HCN, H 2 S C x H y CO, CO 2, NO, SO 2 Drying Pyrolysis, light gas Pyrolysis, Tar Char Burnout Residence Time [s] IFRF Kohleabbrandversuch Fallrohrreaktor Surface Reaction Model Intrinsic Model IFRF Measurement Folie 21

22 Reaktionsmodellierung Calcinierung, Sulfatisierung Modelle für die Kalksteinreaktion Trocknung - Verdampfungsmodell Calcinierung Sulfatisierung Calcinierung Sulfatisierung Energieprozesstechnik Kalkstein (CaCO 3 ) + H -CO 2 Branntkalk (CaO) - H + 0,5 O 2 +SO 2 Gips (CaSO 4 ) Ruhr- - Shrinking Core Modell Alternative Modelle: - Korn-Schale Modell - Porenmodell Grlagen u. Folie 22

23 Reaktionsmodellierung Calcinierung, Sulfatisierung Shrinking Core Modell Kern 1 2 O 2 SO 2 CaCO 3 CaO CO 2 Energieprozesstechnik Ruhr- idealisierte Kugel Shrinking-Core-Model CaSO 4 mit festen Produkten wandernde Reaktionsfronten Partikelgrößen ~ µm Reaktionsgeschwindigkeit Grlagen u. nach Widerstandsmodell: I - chemisch II - Diffusion CaO Folie 23 III - Diffusion CaSO 4 IV - Stoffübergang Phasengrenze

24 Reaktionsmodellierung Calcinierung, Sulfatisierung Korn-Schale Modell CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 Energieprozesstechnik Ruhr- CaO CaO CaSO 4 Homogener CaCO 3 Kern Bildung von CaO-Körnern um den Kern Sulfatisierung der CaO Körner Grlagen u. Bessere Berücksichtigung von Dichte/Porositätsänderungen bei der Reaktion Zusätzliche Modellparameter (Porositäten, spez. Oberflächen) für Kern CaO Partikel Folie 24

25 Calcinierungmodell Shrinking-Core Model CaCO 3 IV CaO III I CaSO II 4 CO 2 m CaCO t 3 = π d CaCO 3 CaO + CO 2 M c CO2, s1 4 i= 1 c 2 2 CaCO 3 CaCO 3 R CO, i, C, ST Energieprozesstechnik Ruhr Changing Internal Surface Model: - Porosität - Versinterung Grlagen u. Folie 25 Widerstände R i,c,st 0.5 I. kinetischer Widerstand II. III. IV. Calcination [%] Diffusion durch die poröse CaO Schicht 0.2 Diffusion durch 0.1die poröse CaSO 4 Schicht Residence Time [s] Diffusion durch den Grenzfilm in die Gasphase measured simulated (new model) simulated (old model) IFRF Calcinierungsversuch, 14% CO 2, 1100 C

26 Energieprozesstechnik Ruhr- Grlagen u. Sulfatierungsmodell CaO CaCO 3 CaSO 4 Widerstände R i,s,st I II III SO 2, O 2 I. kinetischer Widerstand 0,3 II. III. Calcination [mol/mol] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,2 m CaO + SO O 2 CaSO 4 t Diffusion durch 0,1die poröse CaSO 4 Schicht 0 CaSO Diffusion durch den Grenzfilm in die Gasphase 4 = M CaSO 4 c SO s2 3 i= 1 Y D, S Y 2, 2 R i, S, ST 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Residence Time [s] H O SO2=0.0% SO2=0.1% SO2=0.3% SO2=1% SO2=3% SO2=10% SO2=20% SO2=30% Folie 26

27 Reaktionsmodellierung - Calcinierung Validierung des Calciniermodells Fallrohrreaktorversuche zur Calcinierung Sulfatierung von Kalkstein der IFRF (International Flame Research Foation) Erdgasbrenner Feststoffdosierung Kühlstäbe Energieprozesstechnik Ruhr Kalzinierungsgrad [%] Grlagen u. Folie 27 Injektor Venturidüse Reaktionsrohr Heizelemente Gas- Feststoffproben Reaktoratmosphäre: 14 % CO 2 5 % O % H 2 O Reaktortemperatur 1000 C 1100 C Fallstrecke 1.5 [m] 2.0

28 Reaktionsmodellierung NO x -Bildung Energieprozesstechnik Ruhr- Grlagen u. Folie 28 NO x Modelle Mitchell et al. De Soete HCN HCN NO O 2 N 2 C x H Y NO HCN NO O 2 H 2 O C fix / NH 3 NO NH 3 N 2 Chen Globalkinetische Modelle HCN C x H Y NO NO O 2 C fix / NH 3 / NO NH 3 N 2 Abbildung der Reduktion HCN

29 Reaktionsmodellierung NO x -Bildung Freisetzung von Brennstoffstickstoff Kohle enthält 1-4% Stickstoff Wesentlicher Beitrag zur NO x Bildung Verteilung des Brennstoffstickstoffs auf Flüchtige Koks Energieprozesstechnik Ruhr- Koksabbrand NO NH x HCN N 2 N Pyrolyse NH 3 HCN Grlagen u. Abhängig von Reaktionsbedingungen Kohlespezifisch Folie 29

30 Reaktionsmodellierung NO x -Bildung Kohle, Kalkmehl Versuchsbedingungen: Volumenstrom: 6,0-9,0 m³ N /h globale Luftzahl: 0,9-1,25 Temperatur: C Braunkohle: 0,42-1,23 kg/h Dornap Kalkmehl: 2,3-5,2 kg/h Energieprozesstechnik Ruhr- Reaktionszone Vol-%, tr. Kohlendioxid ES3 10 Sauerstoff Grlagen u. Gas- Feststoff Fallstrecke [m] 2 proben Folie 30

31 Reaktionsmodellierung NO x -Bildung NO x im Fallrohrreaktor 1000 NOx [vpm] 800 Energieprozesstechnik Ruhr- 600 Mitchell 400 Messung Chen 200 Grlagen u. De Soete Fallstrecke 1.5 [m] 2.0 Folie 31

32 Zusammenführung -LEAT IFRF Fallrohrversuche 1700 Partikeltemperatur 0 CaCO 3 3 -Bildungsrate Temperatur [K] Bildungsrate [kg/s] -1E-11-2E-11-3E-11-4E-11 Energieprozesstechnik Ruhr ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Zeit Zeit [s] [s] 1,2 1 Calcinierungsgrad -5E-11-6E ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Zeit [s] 3,00E-12 2,50E-12 Gesamtmasse Gesamtmasse Grlagen u. Calcinierungsgrad [-] 0,8 0,6 0,4 0, ,2 0,4 0,6 0,8 Zeit [s] Partikelmasse [kg] 2,00E-12 1,50E-12 1,00E-12 5,00E-13 LEAT 0,00E ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Zeit [s] Folie 32

33 Calcinator-Gesamtberechnung Beschreibung Energieprozesstechnik Ruhr- des Gesamtprozesses Grlagen u. Folie 33

34 Grlagen u. Folie 34 Calcinator-Gesamtberechnung Temperaturverteilung Temperatur [ C] Messebene 2 : Messebene 3 : Mehl Kohle Kohle Richtung Ofen Messpunkte Oberluft Mehl Energieprozesstechnik Ruhr- Messung- Ebene 2 Simulation- Ebene 2 Messung- Ebene 3 Simulation- Ebene 3

35 Grlagen u. Folie 35 Calcinator-Gesamtberechnung Sauerstoffverteilung O2-Konzentration [Vol.-%, tr.] Messebene 2 : Messebene 3 : Mehl Kohle Kohle Richtung Ofen Messpunkte Oberluft Mehl Energieprozesstechnik Ruhr- Messung- Ebene 2 Simulation- Ebene 2 Messung- Ebene 3 Simulation- Ebene 3

36 Energieprozesstechnik Ruhr- Calcinator-Gesamtberechnung Temperaturbeeinflussung Temperatur [ C] % der OL TL 100% der OL TL Referenzfall Fall 2 Fall 3 Messebene 2 : Grlagen u. Temperatur [ C] Messebene 3 : Oberluft Tertiärluft Folie 36

37 Calcinator-Gesamtberechnung Energieprozesstechnik Ruhr- Sekärluft Grlagen u. Folie 37 O 2 Kohle CO 2 Qualitativ gute Übereinstimmung mit Messungen Temperatur Ausbrand Calcinierung Temperatur Kohle

38 Calcinator-Gesamtberechnung Energieprozesstechnik C Temperaturen Temperaturverlauf Ofenstrang Tertiärluftstrang Messung Messung 8 Vol.-% C CO2-Gehalt 2 6 Ofenstrang Tertiärluftstrang Messung Messung Ruhr O 2 -Gehalt 8 6 Vol.-% Ofenstrang Tertiärluftstrang Messung Messung Grlagen u. Lage der Messpunkte Folie 38 4

39 Calcinator-Gesamtberechnung CO-Gehalt Energieprozesstechnik Ruhr- Vol-% CO 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 3 6 Ofenstrang Tertiärluftstrang Messung Messung 0,2 0, Grlagen u. Folie 39

40 Zusammenfassung Ausblick Zusammenfassung Energieprozesstechnik Ruhr- Ausblick Grlagen u. Folie 40

41 Zusammenfassung Ausblick Erarbeitung der Grlagen für die Simulation des Calcinierungsprozesses Vertiefung des Verständnisses für den Calcinierungsprozess Energieprozesstechnik Ruhr- Ansätze zur Optimierung des Calcinierungsprozesses Mögliche Weiterführung Integration eines Modells zum Abbrand von Sekärbrennstoffen Nachfolgeantrag Grlagen u. Folie 41

42 Ende Energieprozesstechnik Ruhr- Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Grlagen u. Folie 42

43 Energieprozesstechnik Ruhr- Grlagen u. Folie 43