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Kornelius Sommer
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1 Projekt Folie 1 DVV Fachausschusssitzung

2 Inhalt Einleitung Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS Stand der experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung der NO X -Freisetzung CFD-Modellierung Zusammenfassung / Ausblick Folie 2

3 Einleitung Folie 3

4 Einleitung Rohmehlaufgabe Zyklonvorwärmer Calcinierung im Vorcalcinator ca. 850 C ca C Klinkerbrennprozess im Drehrohr Rostkühler Brennstoff- Aufgabe Folie 4

Einleitung Modellentwicklung Erweiterung: Aerodynamisches Verhalten SBS Pyrolyse & Brennstoffausbrand SBS Turbulenzmodulation durch SBS Strahlungsverhalten der Dispersion

5 Einleitung Modellentwicklung Erweiterung: Aerodynamisches Verhalten SBS Pyrolyse & Brennstoffausbrand SBS Turbulenzmodulation durch SBS Strahlungsverhalten der Dispersion Calcinierung & Sulfatierung (aus Vorprojekt) NO x -Bildung & -Reduktion bei Verbrennung SBS Simulation Optimierung Gesamtanlagen unter Berücksichtigung der Aspekte SBS NO x Folie 5

6 Einleitung Messtechnische Untersuchungen: Brennstoff-Analyse (LEAT) Pyrolyseversuche (LEAT) Versuche zur Fluidmechanik SBS () Ausbrandversuche im Fallrohr-Reaktor () Betriebsmessungen am FLS Calcinator Lengerich (FIZ) Folie 6

7 Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS Folie 7

Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS Ausgangssituation Abmessungen Sichterrohr: Durchmesser: 0,14 m Länge: 0,85 m Daten: Volumenstrom: 90 m

Durchmesser: >0,14 m Dispergierung der SBS-Partikel im Diffusor Partikelrückhaltung in einem Schwerkraftabscheider Filternder Abscheider für

8 Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS Ausgangssituation Abmessungen Sichterrohr: Durchmesser: 0,14 m Länge: 0,85 m Daten: Volumenstrom: 90 m 3 /h Gasgeschwindigkeit: 1,6 m/s Entwurf eines Sichters auf Basis der durchgeführten Voruntersuchungen Auslegung Leerrohrgasgeschwindigkeit: 0-5 m/s Durchmesser: >0,14 m Dispergierung der SBS-Partikel im Diffusor Partikelrückhaltung in einem Schwerkraftabscheider Filternder Abscheider für Feinpartikel Eckdaten Sichterrohrdurchmesser: 200 mm Sichterrohrlänge: 850 mm Strömungsgeschwindigkeit: 0-4,5 m/s Länge Schwerkraftabscheider: 750 mm Folie 8

9 Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS SBS-Probe vom Ofenlinie 8; Lengerich Volumen ca. 80 l Masse ca. 8 kg Trocknung bei 60 C bis zur Massenkonstanz (ca. 2 Tage) Sichtung in 6 Fraktionen möglich Sinkgeschwindigkeit Fraktionen 1 bis 5 Sinkgeschwindigkeit [m/s] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Fraktion 1 0,9 m/s Fraktion 2 2,1 m/s Fraktion 3 3,1 m/s Fraktion 4 3,8 m/s Fraktion 5 4,3 m/s 0,5 0, Index Folie 9

10 Stand der experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung der NO X -Freisetzung Folie 10

11 Stand der Versuchsvorbereitungen Folie 11

12 Stand der Versuchsvorbereitungen Brennstoffaufgabe Brennstoff Dosiergas Reaktionsgas Reaktionsgasvorwärmung Reaktionsrohr Heizelemente Kühlluft Feststoffabzug Abgas Folie 12

13 Stand der Versuchsvorbereitungen Bestimmung der NO-Freisetzung bei der Verbrennung Polyamidpulver Vorversuch zur Überprüfung des Abbrandverhaltens der eingesetzten Messtechnik Bereitstellung Daten zur NO-Freisetzung einer reinen Kunststofffraktion zur Validierung der NO-Bildungsmodelle Verbrennungsversuch Polyamid (1200 C) 1200, ,00 Kalibrierung Versuchsbeginn NO Konzentration ppm CO-Konzentration ppm Sauerstoffgehalt % Konzentration (ppm) 800,00 600,00 400, Konzentration (Vol. %) 5 200,00 0, :00:00 09:28:48 09:57:36 10:26:24 10:55:12 11:24:00 11:52:48 12:21:36 12:50:24 Zeit (hh:mm:ss) Folie 13

14 CFD Modellierung Folie 14

15 CFD-Modellierung Injektor Übergangstrichter Reaktionsrohr Folie 15

CFD-Modellierung Simulations-Randbedingungen Brennstoff (Polyamid) Eintrittsgeschwindigkeit V BS = 0.8 m/s MFuel = 50 g/h TFuel = 298 K Luft Eintrittsgeschwindigkeit V Luft = 0.

16 CFD-Modellierung Simulations-Randbedingungen Brennstoff (Polyamid) Eintrittsgeschwindigkeit V BS = 0.8 m/s MFuel = 50 g/h TFuel = 298 K Luft Eintrittsgeschwindigkeit V Luft = 0.33 m/s Konzentration O 2 = 21 Vol % Temperatur T Luft = 1223 K Geschwindigkeitsprofil Partikelgrößenverteilung RRSB dp = 35 µm RRSB n = 1.14 Partikel Emissivität = 0.8 Depolymerisationsenergy = 4.4 MJ/kg Folie 16

17 CFD-Modellierung Annahmen Der gesamte Brennstoffstickstoff wird zu NO umgesetzt 2 C6H11NO O2 12 CO H 2 O + 2 NO Polyamidpartikel verhalten sich bei der Verbrennung wie Tropfen (Depolymerisation, Verdampfung, Gasphasenverbrennung) Folie 17

18 CFD-Modellierung Konzentrationsprofile 0,25 0,2 Massenanteil Spezies Konzentration 0,15 0,1 O2 CO2 H2O NO PA-6 0,05 0-1,6-1,4-1,2-1 -0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 Austritt Abbrandweg (m) Simulation Massenanteil NO = 0, Eintritt Experiment (Vorversuch) Massenanteil NO = 0,001 Folie 18

19 Zusammenfassung / weiteres Vorgehen Folie 19

20 Zusammenfassung Zusammenfassung Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS Orientierende Untersuchungen zur Sinkgeschwindigkeit SBS durchgeführt Planung Bau des Sichters auf Basis der Voruntersuchungen abgeschlossen Sichten der SBS-Proben durchgeführt Bestimmung Geometriefaktoren zum Einsatz in der CFD-Berechnung in Bearbeitung NO X -Freisetzungsuntersuchungen Komponenten zur Anpassung der Versuchsanlage (Injektor, Dosierung, Gasanalytik) sind gefertigt Probebetrieb mit Polyamid durchgeführt (Änderungen werden z.zt. vorgenommen) Durchführung der Vorversuche (offen) Durchführung der geplanten Verbrennungsversuche (offen) Auswertung (offen) CFD-Modellierung Anpassung bestehender Modelle (offen) Validierung der Modelle an Versuchsergebnissen (offen) Übertragung der Modelle auf Großanlagen (offen) Folie 20

21 Vielen Dank für r Ihre Aufmerksamkeit Folie 21

22 Projektzeitplan Jahr Quartal PA Sitzungen PA PA PA PA Gemeinsam Modellentwicklung: Fluidmechanik/Turbulenz, Strahlung Versuche: Fluidmechanik SBS, Ausbrand/NOx Bildung Vereinfachte Simulation Laborversuchen/ Gesamtanlagen Zusammenführung der Teilmodelle Berichterstellung Simulation Gesamtanlagen, Optimierung der Teilmodelle Berichter -stellung LEAT Modellentwicklung: SBS-Ausbrand, NOx Bildung Reduktion Berichterstellung Berichter -stellung Versuche: Brennstoff Analyse SBS, Pyrolyse/N-Freisetzung FIZ Messungen Lengerich Berichterstellung Folie 22

23 Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS SBS-Probe vom Ofenlinie 8; Lengerich Volumen ca. 80 l Masse ca. 8 kg Trocknung bei 60 C bis zur Massenkonstanz (ca. 2 Tage) Sichtung in 6 Fraktionen möglich Sinkgeschwindigkeit (m/s) Sinkgeschwindigkeit Fraktion 1 5,0 4,5 4,0 Spülung der Anlage 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Messzeitraum 1,0 Sinkgeschwindigkeit 0,9 m/s 0,5 0,0 12:49:41 12:50:24 12:51:07 12:51:50 12:52:34 12:53:17 12:54:00 12:54:43 12:55:26 Zeit (hh:mm:ss) Folie 23

24 Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS SBS-Probe vom Ofenlinie 8; Lengerich Volumen ca. 80 l Masse ca. 8 kg Trocknung bei 60 C bis zur Massenkonstanz (ca. 2 Tage) Sichtung in 6 Fraktionen möglich Fraktionsverteilung Anteil (%) Folie 24 0 Fraktion 1 Fraktion 2 Fraktion 3 Fraktion 4 Fraktion 5 Fraktion 6

25 Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS SBS-Probe vom Ofenlinie 8; Lengerich Beobachtung des Flugverhaltens (Fraktion 4; 3,8 m/s) Aufnahmeintervall 0,3 sec. Keine Vorzugsrichtung der Partikel erkennbar Folie 25

Stand der Versuchsvorbereitungen Anpassung der

Injektors durch SBS-Partikelgröße vorgegeben (31 mm)

vorgegeben (81 mm) Die geringe Wandstärke der

26 Stand der Versuchsvorbereitungen Anpassung der Brennstoffaufgabe an SBS-Probe Innendurchmesser des Injektors durch SBS-Partikelgröße vorgegeben (31 mm) Außenmaße der Isolierung durch Reaktionsrohrdurchmesser vorgegeben (81 mm) Die geringe Wandstärke der Isolierung führte zu einem Transportschaden der Isolierung bei Lieferung Folie 26

Stand der Versuchsvorbereitungen Anpassung der Brennstoffaufgabe an SBS-Probe Vorversuch mit einem volumetrischen Dosierer zeigt stark schwankende Dosierraten Zur Ermittlung der NOX-Freisetzung unter

27 Stand der Versuchsvorbereitungen Anpassung der Brennstoffaufgabe an SBS-Probe Vorversuch mit einem volumetrischen Dosierer zeigt stark schwankende Dosierraten Zur Ermittlung der NOX-Freisetzung unter stationären Bedingungen ist eine gravimetrische Dosiereinrichtung notwendig Geförderte Masse (g) Geförderte Masse Dosierrate Dosierrate (g/min) Zeit (min) Folie 27

28 CFD-Modellierung Temperaturverlauf Temperaturverlauf, Mittelachse ,5-1 -0,5 0 0,5 Abbrandweg [m] 200 Maximaltemperatur unter 1400 K Keine Bildung Thermischer Stickoxide Experimente zeigten auch bei 1200 C Gastemperatur ohne Brennstoffaufgabe keine messbaren Stickoxide kein thermisches NO X Folie 28

schnell Konzentration NO im Bereich der Zündung des Abbrandes am höchsten Im

29 CFD-Modellierung Polyamid-6 Massenanteil PA-6 Massenanteil NO Polyamid-Partikel depolymerisieren, verdampfen Zündung Abbrand der Zersetzungsprodukte erfolgt sehr schnell Konzentration NO im Bereich der Zündung des Abbrandes am höchsten Im weiteren Verlauf des Reaktionsweges Vermischung NO mit zugeführtem Reaktionsgas Folie 29

30 Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS Offene Fragen Brennstoffauswahl Festlegung der Versuchsparameter in Abstimmung mit den Messungen Analysen Gas Feststoff Art der EBS Aufbereitung durch den Lieferanten Betriebsmessung (Spezies, Messstellen, etc) Folie 30

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