Fließschemasimulation einer Wirbelkammerpyrolyseanlage Workshop Leipzig 23.06.2011 Sven Jollet, M.Eng. Verbrennung
2 Inhaltsverzeichnis Einleitung Schema der Pyrolysegasanlage Versuchsaufbau Fließschemasimulation mit MATLAB/Simulink Ergebnisse Probleme Zusammenfassung/Ausblick Danksagung Verbrennung 2
3 Einleitung Verbrennung 3
4 Einleitung In dem AIF-ZIM-Verbund-Forschungsprojekt Wirbelkammerpyrolyse Holz, wird das Verfahren der Holzverflüssigung (BTL Biomass to Liquid) untersucht. Anlagenbetreiber Fa. Lopper (Wirbelkammerverbrennungsreaktor) Fa. Biomasseheizwerk Buchberg GmbH (Biomasseförderung) Fa. Rester GmbH (Motor) Fa. Dorn & Schörner GmbH (Wirbelkammerpyrolysereaktor) Fa. Kalkbrenner GmbH (Kondensation) Universitäre Einrichtungen: Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik, Universität Bayreuth (Analyse Biomasse) Verbrennung, Universität Hannover (Fließschemasimulation und CFD- Simulation von Verbrennungsreaktor & Pyrolysereaktor) Verbrennung 4
5 Einleitung Ziele: Verflüssigter Biokraftstoff Energieautarke Umwandlung angestrebt Vorteile: CO2-Neutral Hoher volumetrischer Energieinhalt Gut transportabel (Mobilitätsbereich) (besser als Biogase oder Biofeststoffe) Räumliche und zeitliche Entkoppelung zwischen Biomasseumwandlung und - nutzung möglich Nachteil: Pyrolyseöl ist sehr korrosiv (Essigsäure, Ameisensäure etc.) Pyrolyseöl ist bei Temperaturen um die 50 C bis 70 C sehr instabil und polymerisiert zu einem Feststoff Verbrennung 5
6 Schema der Pyrolysegasanlage Verbrennung 6
7 Schema der Pyrolysegasanlage Verbrennung 7
8 Versuchsaufbau Verbrennung 8
9 Versuchsaufbau 80 kw Laboranlage in Sulzbach-Rosenberg Verbrennung 9
10 Versuchsaufbau Verbrennung 10
11 Fließschemasimulation mit MATLAB/Simulink Verbrennung 11
12 Fließschemasimulation Eingabedatei Verbrennung 12
13 Fließschemasimulation Eingabedatei beinhaltet: Anlagenleistung Anlagenparameter Elementarbestandteile des Holzgemisches Stoffdaten (z.b. Molare Masse) Eingabedatei Verbrennung 13
14 Fließschemasimulation Fließschemasimulation Der Pyrolyseanlage Verbrennung 14
15 Fließschemasimulation Kondensation Aufheizung Pyrolyse Verbrennung Kaminabgase Temperaturregulierung Verbrennung 15
16 Fließschemasimulation Beispiel aus der Verbrennung Verbrennung 16
17 Fließschemasimulation Mindestsauerstoff- & Mindestluftstrom Spezifische Wärmekonstante Verbrennung 17
18 Fließschemasimulation Mindestsauerstoff- & Mindestluftbedarf Verbrennung 18
19 Fließschemasimulation Molare Mindestsauerstoffbedarf: Molare Mindestluftbedarf: Mindestluftbedarf: Werte aus Eingabedatei Verbrennung 19
20 Fließschemasimulation Spezifische Gaskonstante Verbrennung 20
21 Fließschemasimulation Kennfeldeingabe: Vorhandene Temperatur: Vorhandener Druck: Kennfeldausgabe: Ermittelter spezifische Wärmekapazität: Verbrennung 21
22 Fließschemasimulation Kohlenstoffdioxid: Gemisch: Verbrennung 22
23 Fließschemasimulation Wirbelkammerpyrolysereaktor Verbrennung 23 Wirbelkammerverbrennungsreaktor
24 Fließschemasimulation Geometrie 1 Geometrie 2 Geometrie 3 Geometrie 4 Partikelverweilzeit Verbrennung 24
25 Ergebnisse Verbrennung 25
26 Ergebnisse: Massenströme 36.6 kg h 36.6 kg h + 2. 9 kg h 35.01kg h 35.01kg h + 2. 98kg h 18 kg h 18.59 kg h 26.6 kg h 10kg h 11.84kg Oel h 2.9 kg h 23.17 kg h 2.98kg h 22.7 kg 19.4 kg h h 36.6 Aufheiztemperatur ca. 1000 C 22 kg h 33.49 kg h 29.9 kg h 40.24 kg h Verbrennung 26
27 Ergebnisse: Leistungen 60.7kW + 20. 9kW 58.35kW + 25. 2kW 60.7kW 58.35kW 80kW 80kW 20.9kW 25.2kW 13.7kW 16.53kW 43.9kW 41.82kW 6.1kW 3.55kW 36.6 0.1kW 5kW 38.18kW Verbrennung 27
28 Probleme Verbrennung 28
29 Probleme Problem Mathematisches Problem Lösung Manuelle Übergabe Vorgabe von Iterationswerten >0, <0 Vorgabe eines definierten Iterationswertes Zukünftig: Ersetzung durch Speicherbausteine Verbrennung 29
30 Problem Probleme Stoffwertprobleme Extrapolation der Stoffdaten aus den Kennfeldern Werte gehen je nach Größe und Abhängigkeit ins Unendliche Lösung Limitierung Vorgabe von Limitierungsgrenzen Instabiles Verhalten Stabiles Verhalten Verbrennung 30
31 Zusammenfassung/Ausblick Verbrennung 31
32 Zusammenfassung/Ausblick Zusammenfassung Komplexe Fließschemasimulationsaufbau der Versuchsanlage Stationäre Berechnung Kreisprozess mit Iterationsschleifen Umsetzung von mathematischen Beschreibungen Verwendung von Kennfeldern Problem mit Simulationen mit MATLAB/Simulink Ausblick Verifikation der Fließschemasimulation anhand der Versuchsanlage Analyse von Scale-Up Anlagen Instationäre Fließschemasimulation Aufbau von modularen Subsystemen Verbrennung 32
33 Danksagung Verbrennung 33
34 Danksagung Dieses AiF-ZIM-Forschungsprojekt wurde Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages Desweiteren bedanke ich mich bei den einzelnen Projektpartnern für die Unterstützung, sowie dem Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik der Universität Bayreuth unter Leitung von Professor Jess Verbrennung 34
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Sven Jollet, M.Eng. Verbrennung Leibniz Universität Hannover Am Welfengarten 1A D-30167 Hannover Verbrennung Tel.: +49 (0)511-762/19835 Fax: +49 (0)511-762/2530 E-Mail: jollet@itv.uni-hannover.de Web: www.itv.uni-hannover.de