Projekt Folie 1 DVV Fachausschusssitzung
Inhalt Einleitung Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS Stand der experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung der NO X -Freisetzung CFD-Modellierung Zusammenfassung / Ausblick Folie 2
Einleitung Folie 3
Einleitung Rohmehlaufgabe Zyklonvorwärmer Calcinierung im Vorcalcinator ca. 850 C ca. 2000 C Klinkerbrennprozess im Drehrohr Rostkühler Brennstoff- Aufgabe Folie 4
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
Einleitung Messtechnische Untersuchungen: Brennstoff-Analyse (LEAT) Pyrolyseversuche (LEAT) Versuche zur Fluidmechanik SBS () Ausbrandversuche im Fallrohr-Reaktor () Betriebsmessungen am FLS Calcinator Lengerich (FIZ) Folie 6
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 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
Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS SBS-Probe vom 22.04.2008 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 0,0 1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 Index Folie 9
Stand der experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung der NO X -Freisetzung Folie 10
Stand der Versuchsvorbereitungen Folie 11
Stand der Versuchsvorbereitungen Brennstoffaufgabe Brennstoff Dosiergas Reaktionsgas Reaktionsgasvorwärmung Reaktionsrohr Heizelemente Kühlluft Feststoffabzug Abgas Folie 12
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 1000,00 Kalibrierung Versuchsbeginn NO Konzentration ppm CO-Konzentration ppm Sauerstoffgehalt % 25 20 Konzentration (ppm) 800,00 600,00 400,00 15 10 Konzentration (Vol. %) 5 200,00 0,00 0 09:00:00 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
CFD Modellierung Folie 14
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 = 0.33 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
CFD-Modellierung Annahmen Der gesamte Brennstoffstickstoff wird zu NO umgesetzt 2 C6H11NO + 17.5 O2 12 CO 2 + 11H 2 O + 2 NO Polyamidpartikel verhalten sich bei der Verbrennung wie Tropfen (Depolymerisation, Verdampfung, Gasphasenverbrennung) Folie 17
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 = 0,0029141 Eintritt Experiment (Vorversuch) Massenanteil NO = 0,001 Folie 18
Zusammenfassung / weiteres Vorgehen Folie 19
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
Vielen Dank für r Ihre Aufmerksamkeit Folie 21
Projektzeitplan Jahr 2007 2008 2009 Quartal 4 1 2 3 4 1 2 3 4 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
Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS SBS-Probe vom 22.04.2008 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
Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS SBS-Probe vom 22.04.2008 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 45 40 35 33 30 Anteil (%) 25 20 13 21 16 15 10 5 9 7 Folie 24 0 Fraktion 1 Fraktion 2 Fraktion 3 Fraktion 4 Fraktion 5 Fraktion 6
Bestimmung fluidmechanischer Eigenschaften SBS SBS-Probe vom 22.04.2008 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 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 stationären Bedingungen ist eine gravimetrische Dosiereinrichtung notwendig 250 70 200 60 Geförderte Masse (g) 150 100 Geförderte Masse Dosierrate 50 40 30 20 Dosierrate (g/min) 50 0 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Zeit (min) Folie 27
CFD-Modellierung Temperaturverlauf 1600 1400 1200 1000 800 600 400 Temperaturverlauf, Mittelachse 0-2 -1,5-1 -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
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
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