Prozessoptimierung von Vorcalcinieranlagen der Zementindustrie mit CFD-Methoden

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1 Titel Energieprozesstechnik Ruhr- Prozessoptimierung von Vorcalcinieranlagen der Zementindustrie mit CFD-Methoden unter Berücksichtigung der Aspekte Sekärbrennstoffe NOx-Minimierung Folie DVV Fachausschusssitzung Grlagen Anwendungen 1. November 200 Energieprozesstechnik Ruhr- Folie 2

2 Kernprozess der Zementherstellung Trockene Aufgabe Rohmehl Energieprozesstechnik Ruhr- Zyklonvorwärmerstufen Brennstoff Brennstoff Calcinator Tertiärluftleitung Drehrohr Klinker Folie 3 Kinkerkühler Kernprozess der Zementherstellung - Calcinator Energieprozesstechnik Ruhr- Mehl Oberluft Tertiärluft Braunkohle SBS Gas (aus Drehrohr) Folie

3 Calcinator-Gesamtberechnung Temperaturverteilung Temperatur [ C] Messebene 2 : Messebene 3 : Mehl Kohle Kohle 3 Richtung Ofen Messpunkte Oberluft Mehl Energieprozesstechnik Ruhr- - Ebene 2 Simulation- Ebene 2 - Ebene 3 Simulation- Ebene 3 Folie Calcinator-Gesamtberechnung Energieprozesstechnik Ruhr- Temperaturbeeinflussung Temperatur [ C] % der OL TL 100% der OL TL Referenzfall Fall 2 Fall 3 Messebene 2 : Temperatur [ C] Messebene 3 : Oberluft Tertiärluft Folie 6

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

5 Projekt-Organigramm Projekt-Patenschaft VDZ Forschungsinstitut der Zementindustrie Düsseldorf Projekt-Durchführung Forschungsstelle 1 Forschungsstelle 2 Forschungsstelle 3 Energieprozesstechnik Ruhr- Ruhr- Energieprozesstechnik Forschungsinstitut der Zementindustrie Düsseldorf Projektbegleitender Ausschuss (vorläufig) 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,, Düsseldorf Dr. rer. nat. S. Schäfer,, Düsseldorf Folie 9 Projekt-Organigramm Energieprozesstechnik Ruhr- Projektleiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. V. Scherer Projektbearbeiter Projekt-Durchführung Forschungsstelle 1 Forschungsstelle 2 Forschungsstelle 3 Ruhr- Energieprozesstechnik Projektleiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Görner Projektbearbeiter Forschungsinstitut der Zementindustrie Düsseldorf Projektleiter Dr.-Ing. V. Hoenig Projektbearbeiter N.N. Dipl.-Ing. K. Schroer N.N. Bearbeitungsschwerpunkte Bearbeitungsschwerpunkte Bearbeitungsschwerpunkte Calcinierung, Sulfatisierung NO x -Entstehung Turbulenz hochbeladener Strömungen en in einem Zementwerk Reaktionskinetik SBS Aerodynamik SBS Folie 10 Gesamtberechnungen (LORA) Strahlungsmodellierung Gesamtberechnungen (FLUENT)

6 Forschungsziele Energieprozesstechnik Ruhr- Angestrebte Forschungsziele: Charakterisierung der Verbrennungseigenschaften von Sekärbrennstoffen NO x -Bildung Reduktion (Verwendung von Elementarreaktionsmechanismen) Simulation einer Betriebsanlage Validierung des Modells durch Messergebnisse aus der Betriebsanlage Folie 11 SBS-Brennstoff Energieprozesstechnik Ruhr- Ersatz von Kohle durch Sekärbrennstoffe verändertes Pyrolyseverhalten verändertes Abbrandverhalten Einfluss auf Elementarreaktionen NO x -Bildung Wechselwirkungen mit dem Calcinierungsprozess Experimentelle Untersuchungen zum Brennstoff Flash-Pyrolyse Versuche im Fallrohrreaktor Entwicklung eines Modells zur Beschreibung des SBS- Abbrands Implementierung des Modells für FLUENT/LORA Folie 12

7 SBS-Aerodynamik Energieprozesstechnik Ruhr- Unregelmäßig geformte, zwei- dreidimensionale SBS-Partikel mit unterschiedlicher Dichte stark unterschiedlicher Masse Ermittlung der Verteilung des aerodynamischen Durchmessers einer Gewichtsklasse im Versuchsstand Darstellung des SBS-Partikels als Kugel Lagrange-Ansatz: Folie 13 Einfluss der Partikelphase auf die Turbulenzmodellierung St geringe Auswirkungen auf die Turbulenz Energieprozesstechnik Ruhr- Ein-Weg- Kopplung Betriebsbereich bei Kohlefeuerung verdünnt Partikeln erhöhen die Turbulenz Partikeln dämpfen die Turbulenz Zwei-Wege- Kopplung Vier-Wege- Kopplung dicht Betriebsbereich bei SBS-Feuerung φ Neubewertung der Turbulenzverhältnisse Anpassung der Turbulenzmodelle φ: Volumenanteil der dispersen Phase St = Partikelrelaxationszeit Kolmogorov-Zeitmass Folie 1

8 Einfluss der Partikelphase auf die Strahlung Energieprozesstechnik Ruhr- Streuungsvorgänge: Beugung Brechung Reflexion Betriebsbereich des Calcinators d Partikel Wellenlänge Beugungseffekte spektrale spez. Ausstrahlung [W/m 2 μm] Wellenlänge [μm] Anpassung von Absorptions- Streukoeffizient des quasi-einphasigen Mediums Vorwärts- Rückwärtsstreuung partikelgrößenabhängig Folie 1 Fallrohrreaktoruntersuchungen Energieprozesstechnik Ruhr- Weitere Untersuchungen: Untersuchung der aerodynamischen Eigenschaften von SBS-Partikeln Anpassung der Turbulenz- Strahlungsmodelle Folie 16 Fallrohrreaktor des

9 Betriebsmessungen Energieprozesstechnik Ruhr- Validierung der CFD-Simulationen mit Messwerten von Realanlagen Spezieskonzentrationen: CO, CO 2, O 2, NO x Temperaturen Calcinierungs- Sulfatierungsgrad Gaszusammensetzung am Calcinatoreintritt (Anlage B) Folie 1 Kohle auf 2, m Drehrohr Messstellen auf 2,0 m [Vol.-% trocken] , CO2 1,9 20,1 1,2,6 O2 3,9 3,, CO Messstelle 1 Messstelle 2 Messstelle 3 Verbr.-Rechn. 0, 0,1 0,1 0,13 Projektbalkenplan () Energieprozesstechnik Ruhr- Nr. Vorgangsname 1 Recherche: Fluidmechanik von SBS 2 Recherche: Modelle zur Turbulenzmodulation bei großen Partikeln 3 Recherche: Strahlung Sekärbrennstoffe Modellentwicklung: Fluidmechanik der SBS Modellentwicklung: Turbulenzmodulation durch SBS 6 Modellentwicklung: Strahlung SBS Versuchsplanung Fluidmechanik Untersuchungen zur Fluidmechanik der SBS 9 Versuchsauswertung 10 Versuchsplanung Fallrohr 11 Fallrohruntersuchungen zum SBS Ausbrand 12 Fallrohruntersuchungen zur Nox-Bildung 13 Versuchsauswertung 1 Simulation: Fluidmechanik von SBS 1 Simulation: Modelle zur Turbulenzmodulation 16 Simulation: Modelle zur Strahlung 1 Zusammenführung der Teilmodelle 1 Vorarbeiten zur Simulation eines FLS-Calcinators (Gittererstellung, Randbedingungen usw.) 19 Simulation eines KHD-Calcinators (Teutonia Hannover) mit SBS-Verwertung 20 Simulation eines Polysius-Calcinators (Bernburg) mit SBS-Verwertung 21 Simulation eines FLS-Calcinators (Lengerich) mit SBS-Verwertung 22 Berichterstellung Folie 1