Rechnergestützte Feuerungs- und Strömungsoptimierung in Rostfeuerungen (CFD, Rostmodellierung)

Transkript

1 Rechnergestützte Feuerungs- und Strömungsoptimierung in Rostfeuerungen (CFD, Rostmodellierung) Analyse des Einflusses der Kesselgeometrie auf die Temperaturverteilung im ersten Zug einer Müllverbrennungsanlage mit CFD. Institut für Thermodynamik und Energiewandlung, TU Wien Dipl.-Ing. Roland Eisl

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung... 3 Problembeschreibung... 6 Analyse... 7 Lösungsansatz Ausblick Literatur... 14

3 Einleitung Zur Erfassung der Ursachen von Schieflagen in Müllverbrennungsanlagen mit Rostfeuerung und Sekundärlufteindüsung und zur Darstellung möglicher Verbesserungskonzepte, wurde eine umfassende Analyse eines Müllverbrennungskessels mit CFD (FLUENT) durchgeführt. In weiterer Folge wurden am Institut für Thermodynamik und Energiewandlung Untersuchungen zur Sekundärluftverteilung in Müllkesseln der oben angeführten Bauart durchgeführt. Ziel der Untersuchungen die mit FLUENT 6.3 durchgeführt wurden, war es eine Aussage über den Einfluss der Sekundärluftgeometrie sowie den Einfluss der Einschnürung auf die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung im oberen Teil des ersten Zuges zu gewinnen.

4 Modellaufbau Abbildung 1 Um die Ursachen der Temperaturschieflage auf den Grund zu gehen, wurde ein dreidimensionales CFD Modell erstellt, das alle relevanten Details des Strahlraums sowie des Flammraums des Kessels auflöst. Die gesamte Geometrie ist aus mehr als 4 Millionen Zellen aufgebaut. Vor allem in Bereichen wo Verbrennung stattfindet schien eine feine Diskretisierung notwendig um die chemischen Reaktionen in diesem Bereich richtig darstellen zu können. Die Verbrennung am Rost wurde über ein 1d- Reaktionsmodell approximiert und außerhalb des CFD Modells berechnet. Im CFD Code mit äquivalenter Eindüsung von reaktivem Gas dargestellt. Diese Vorgehensweise ist eine unscharfe Darstellung der Realität, doch dient sie hier dazu eine sehr gleichmäßige Wärmequelle darzustellen, um die genaue Auswirkung der Geometrie auf die Temperaturverteilung zu studieren. In der Literatur wurden hierzu bereits einige Arbeiten durchgeführt. Siehe hierzu [Klasen, 2006], [Frey 2003] und [Görner, 2002]. Diese Autoren

5 verwenden unter anderem auch ein eindimensionales Modell wie es in dieser Arbeit zur Anwendung kommt. Es gibt darüber hinaus noch 1,5 dimensionale Modelle, sowie zwei- und dreidimensionale Modelle die zur Anwendung kommen. Ein dreidimensionales Modell wurde zum Beispiel von [Wolf, 2005] entwickelt. Zur Betrachtung einer durch die Kesselgeometrie bedingten Temperaturschieflage empfiehlt sich ein eindimensionales Rostmodell. Dadurch können durch eventuelle Quervermischung auftretende Sekundäreffekte innerhalb des Rostes vermieden werden und es entsteht ein zwischen linker und rechter Kesselseite völlig symmetrisches Flammenbild. Abbildung 2

6 Problembeschreibung Ausgehend von einer Analyse einer bestehenden Anlage wurden die Einflüsse und Abhängigkeiten Schritt für Schritt herausgearbeitet. In Abbildung 2 ist ein Temperaturprofil der Anlage etwa in mittlerer Kesselhöhe dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die thermische Belastung in der vordernen Ecke cirka 100 K höher liegt, als dies über den Rest des Querschnittes der Fall ist. Dies kann dazu führen, dass in den thermisch hoch belasteten Punkten Korrosionserscheinungen auftreten. Generell ist eine gleichmäßige Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung über den gesamten Querschnitt anzustreben.

7 Analyse Die Ursache dieser Schieflage konnte mit einem entsprechend genau aufgelösten CFD Modell festgestellt werden. Es stellten sich im ersten Zug mehrere Zirkulationen zwischen Hinter- und Vorderwand, sowie zwischen rechter und linker Kesselwand ein. Dieses Faktum hat mehrere Sekundäreffekte zur Folge. In Abbildung 3 sind Geschwindigkeitsprofile in mehreren Ebenen der Anlage dargestellt und es ist ersichtlich, dass es in den gelb bis rot eingefärbten Bereichen zu starken Strömungen nach oben und in den blau eingefärbten Bereichen zu starken Strömungen nach unten kommt. Es stellen sich hier Zirkulationen ein, die sich auf der Höhe des gesamten ersten Zuges erstrecken. Abbildung 3

8 Abbildung 4 Abbildung 4 zeigt die Stromlinien des primären Rauchgases unterhalb der Sekundärluftebene und nahe der Kesselrückwand startend. Es kommt zu einer Zirkulation zwischen linker und rechter Kesselwand. Diese Zirkulation überlagert sich mit der Zirkulation aus Abbildung 3 und führt dadurch zur oben dargestellten Schieflage Abbildung 5

9 Innerhalb des Venturis stellt sich im Großteil der Betriebsfälle eine einseitige Ablösung, wie in Abbildung 5 dargestellt ist, ein. Abbildung 5 zeigt auf der linken Bildhälfte Stromlinien der Primärluft von der Kesselvorderwand startend und in der rechten Bildhälfte Stromlinien von der hinteren Kesselwand startend. Dieses Phänomen verstärkt eventuell auftretende Temperaturspitzen im Bereich oberhalb des Diffusors, da sich die Strömung aufgrund des großen Wirbels einschnürt und somit die Geschwindigkeit steigt.

10 Lösungsansatz Abbildung 6 Zur Lösung des Problems wurde eine Verbesserung der Sekundärlufteinbringung erarbeitet. Dadurch konnte die Temperaturverteilung im oberen Bereich des ersten Zuges deutlich geglättet werden, wie dies in Abbildung 6 dargestellt ist. Es ist in Abbildung 6 eine deutliche Verbesserung des Temperaturprofils eingetreten, verglichen mit Abbildung 2, dem Ausgangsprofil. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend wurde die Form des Diffusors der bestehenden Anlage untersucht. Die ursprüngliche Aufgabe der Einschnürung bei einer Rostfeuerungsanlage dieser Art besteht in der Vergrößerung der relativen Eindringtiefe der Sekundärluftstrahlen um eine möglichst gute Durchdringung des primären Rauchgases mit Sekundärluft zu erreichen und auf diese Weise keine Kohlenmonoxid Spitzen im weiteren Verlauf des Rauchgases zu erhalten. Zur Untersuchung des Diffusors wurde auf Erkenntnisse aus dem Bereich der thermischen Turbomaschinen zurück gegriffen. [Reneau, 1967] hat hierzu weitläufige

11 Messungen durchgeführt. [Drabek, 2001] hat diese Messungen auf Basis von CFD Analysen validiert. Abbildung 7 zeigt das vertikale Geschwindigkeitsprofil im Bereich des Eintritts in den Diffusor. Es zeigt sich, dass für die Untersuchung des Diffusors nicht die konstruktive Eintrittsfläche herangezogen werden darf, sondern eine fiktive, aufgrund der Einschnürung durch die Sekundärluft erzeugte Fläche, die für die Geometrie des Diffusors verantwortlich ist. Dadurch ändert sich die für die Strömung relevante Geometrie des Diffusors beträchtlich. Untersuchungen an der fiktiven Diffusorgeometrie haben gezeigt, dass dieser sich in einem instabilen Arbeitsbereich befindet und alleine aus dieser Sicht sich instabile einseitige Ablösungen ergeben, wie dies in Abbildung 5 dargestellt ist. Abbildung 7 Verstärkt wird die instabile Tendenz noch durch die Tatsache, dass das Verhalten des Diffusors wesentlich durch Störungen am Diffusoreintritt sowie austritt beeinflusst werden kann. In dieser Applikation befinden sich mehrere Störungen sowohl am Einritt (Sekundärluftdüsen) als auch im Bereich des Austritts

12 (Nachverbrennung CO). Weiters wird dem Diffusor noch unsymmetrisch Brennerkühlluft der Anheizbrenner zugeführt. Auch diese können das Verhalten des Diffusors negativ beeinflussen.

13 Ausblick Auf Basis der gewonnenen Daten und Erfahrungen hat sich gezeigt, dass die Auslegung der Geometrie im Bereich der Nachverbrennung nicht nur hinsichtlich der zu erzielenden Eindringtiefen und Durchmischung optimiert werden muss. Auch die Beachtung des strömungsmechanischen Verhaltens der verwendeten Bauteile ist zu beachten, um ein homogenes Geschwindigkeits- sowie Temperaturfeld im oberen Bereich des ersten Zuges zu erhalten.

14 Literatur [Drabek, 2001] Drabek T., Numerische Simulation der turbulenten Strömung in ebenen Diffusoren, Diplomarbeit TU Wien, [Frey, 2003] Frey H. H., Peters B., Hunsinger H., Vehlow J.: Characterization of municipal solid waste combustion in a grate furnace, Waste Management, vol. 23, , [Görner, 2002] Görner K., Klasen Th.: Betriebsoptimierung von thermischen Abfall- Behandlungsanlagen durch CFD Simulation, 13. DVV-Kolloquium, Weimar, [Klasen, 2006] Klasen T., Görner K., Auel W., Sudau B.: Optimierung des Müllheizkraftwerks (MHW) Bremen auf Basis von CFD-Simulationen und Betriebserfahrungen nach dem Umbau, VGB PowerTech, vol. 7, 45-48, [Reneau, 1967] Reneau L. R., Johnston J. P., Kline S. J.: Performance and Design of Straight, Two-Dimensional Diffusors. Journal of Basic Engineering, , 1967 [Wolf, 2005] Wolf C.: Erstellung eines Modells der Verbrennung von Abfall auf Rostsystemen unter besonderer Berücksichtigung der Vermischung - ein Beitrag zur Simulation von Abfallverbrennungsanlagen, Dissertation Universität Duisburg-Essen, 2005.