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Beckmann, An Marcel

Name:Beckmann, An Marcel
Thema:

Experiments and CFD Modeling of Pulverized Coal Flames with Emphasis on Fly Ash Deposition

Abgabe:2016

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit präsentiert die Entwicklung und Validierung von  (Teil-)Modellen zur Simulation von Ascheablagerungsphänomenen während der Verbrennung staubförmiger Kohle mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics; CFD). Das Ziel ist die Entwicklung eines CFD-basierten mathematischen Modells zur Berechnung der Gastemperaturen und -zusammensetzungen, des Kohleausbrands sowie der Ascheablagerungsraten während der Verbrennung.

Hierfür werden eine südafrikanische Steinkohle (Middelburg-Kohle) und eine deutsche Braunkohle (Rheinbraunkohle) in einer vertikalgefeuerten Brennkammer untersucht. Im experimentellen Teil dieser Arbeit werden die Gas- und Ascheeigenschaften sowie die Ascheablagerungsraten auf ungekühlten und gekühlten Ablagerungsrohren gemessen. Im theoretischen Teil werden diese Flammen anschließend mit besonderem Fokus auf die Ascheablagerungsraten modelliert. Aufschlagswahrscheinlichkeiten, Anhaftungswahrscheinlichkeiten und Ablagerungsraten werden berechnet und bewertet. Die simulierten Flammeneigenschaften und die Ablagerungsraten werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen um die (Teil-)Modelle zu validieren und deren Parameter anzupassen. Zusätzlich wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt um den Einfluss der (Teil-)Modelle und ihrer Parameter auf die berechneten Ergebnisse zu untersuchen.

Die Ergebnisse zeigen, dass sehr genaue Flammen- und Ascheablagerungsberechnungen möglich sind. Hierzu bedarf es allerdings einer detaillierten Analyse der Brennstoffe, ihres Verbrennungsverhaltens sowie ihrer Asche. Die experimentell gewonnenen Daten müssen in die Entwicklung und Validierung der CFD (Teil-)Modelle einfließen. Die Trägeablagerung ist der dominate Aschetransportmechanismus. Durch die Thermophorese hat sich auf den gekühlten Ablagerungsrohren mehr Asche abgelagert als auf den ungekühlten. Die Berechnungen der Kohleflammen sowie der Partikelgrößen/-temperatur/-chemie/-zeit-Historie stimmen mit den Messdaten überein. Sechs verschiedene Anhaftungsmodelle werden hinsichtlich ihrer Eignung zur Berechnung der Anhaftungswahrscheinlichkeit analysiert. Die Ablagerungsraten h\"angen sowohl von der Temperatur des Ablagerungsrohres als auch von seiner Position ab. Mit einem angepassten Partikel-Anhaftungsmodell berechnet das CFD-Modell diese Abhängigkeiten. Die so simulierten Ablagerungsraten stimmen sehr gut mit den experimentell ermittelten Daten überein.

 

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