Titel Energieprozesstechnik Ruhr- Prozessoptimierung von Vorcalcinieranlagen der Zementindustrie mit CFD-Methoden unter Berücksichtigung der Aspekte Sekärbrennstoffe NOx-Minimierung Folie 1 33. DVV Fachausschusssitzung Grlagen Anwendungen 1. November 200 Energieprozesstechnik Ruhr- Folie 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
Calcinator-Gesamtberechnung Temperaturverteilung Temperatur [ C] 1200 110 1100 100 1000 90 900 0 00 Messebene 2 : Messebene 3 : Mehl Kohle 1 2 6 1 6 Kohle 3 Richtung Ofen 3 1 2 3 6 Messpunkte Oberluft Mehl Energieprozesstechnik Ruhr- - Ebene 2 Simulation- Ebene 2 - Ebene 3 Simulation- Ebene 3 Folie Calcinator-Gesamtberechnung Energieprozesstechnik Ruhr- Temperaturbeeinflussung Temperatur [ C] 1200 900 0% der OL TL 100% der OL TL Referenzfall Fall 2 Fall 3 Messebene 2 : Temperatur [ C] 1000 00 Messebene 3 : Oberluft Tertiärluft Folie 6
Calcinator-Gesamtberechnung Energieprozesstechnik Ruhr- C 1200 1100 1000 900 00 00 600 00 00 300 1 2 3 Temperaturen Temperaturverlauf 6 6 Ofenstrang Tertiärluftstrang 6 Vol.-% 0 2 2 20 1 10 Vol.-% C0 2 30 2 20 1 10 0 CO2-Gehalt 2 3 6 O 2 -Gehalt Ofenstrang Tertiärluftstrang Ofenstrang Tertiärluftstrang Lage der Messpunkte 1 3 2 0 2 3 6 Folie Energieprozesstechnik Ruhr- Folie
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)
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
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 10 10 2 10 0 10-2 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
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
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 1 2 3 Drehrohr Messstellen auf 2,0 m [Vol.-% trocken] 2 20 1 10 0 22, 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 200 2009 0 0 09 10 11 12 01 02 03 0 0 06 0 0 09 10 11 12 01 02 03 0 0 06 0 0 09 10 11 12 Folie 1