IEVB > Forschung > Entwicklung brennstoffspezifischer und verfahrensspezifischer Unterprogramme für CFD-Vorhersagen industrieller Prozesse

Entwicklung brennstoffspezifischer und verfahrensspezifischer Unterprogramme für CFD-Vorhersagen industrieller Prozesse

MILD- / Flammenlose Verbrennung

Die mathematische Modellierung von Industrieprozessen ist ein Gebiet, auf dem das IEVB in den letzten Jahrzehnten einen beträchtlichen Erfahrungsschatz aufgebaut hat. Dabei hat in der letzten Zeit eine Konzentrierung auf die Entwicklung und Auswertung von Computational Fluid Dynamics (CFD)-Codes stattgefunden, welche simultan Strömungsfelder, Wärmeübertragung und Verbrennungschemie berechnen können. In diesem Zusammenhang wird der MILD-Technologie (Moderate or Intense Low-oxygen Dilution) besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da noch ein Mangel an mathematischen Modellen besteht, welche diese neue Art der Verbrennung zuverlässig beschreiben können. Das ultimative Ziel ist die Entwicklung einer Software zur Auslegung von Industrieöfen mit MILD-Technik. Die Software soll neben zuverlässigen Vorhersagen von Strömungs-,Temperatur- und Konzentrationsfeldern auch eine belastbare Berechnung des Schadstoffausstoßes (NOx und CO) ermöglichen.

Es gibt kaum F&E Gruppen die zum jetzigen Zeitpunkt dazu in der Lage sind; daher existiert ein intensiver Wettbewerb zwischen einigen wenigen Forschungsinstituten und Universitäten, die auf diesem Gebiet arbeiten. Es ist wichtig zu verstehen, dass die in aktuellen CFD-Programmen implementierten Verbrennungsmodelle kaum unter MILD-Bedingungen anwendbar sind. Der Hauptgrund dafür ist, dass diese konventionellen Verbrennungsmodelle aus kinetischen Datensätzen abgeleitet sind, welche für den Ablauf von Reaktionen im Bereich sehr hoher Temperaturen (> 1400 °C) erstellt wurden. Im Gegensatz dazu finden die Verbrennungsreaktionen im MILD-Betrieb bei wesentlich geringeren Temperaturen und in einer stark mit Abgas verdünnten Atmosphäre statt. Daher werden neue Unterprogramme benötigt, die diese im Vergleich zu konventionellen Flammen veränderten Bedingungen realitätsnah beschreiben können. Weiterhin ist eine umfassende Erprobung solcher neuen Modelle erforderlich, um deren Gültigkeitsbereich eingrenzen zu können. Als CFD-Programm kommt standardmäßig FLUENT zum Einsatz. Der Code wurde um eine Vielzahl von anwendungsspezifischen Unterprogrammen erweitert, welche am IEVB entwickelt wurden. Stationäre Simulationen eines 580 kW Brenners im MILD Betrieb sind erfolgreich zum Abschluss gebracht worden. Dabei wurden unterschiedliche Verbrennungs- und NOx-Modelle benutzt und miteinander verglichen.


Detaillierte Berechnungen bezüglich der Verbrennungschemie werden mit dem Programm ReactionDesign CHEMKIN durchgeführt. Der Gesamtansatz des IEVB bei der mathematischen Modellierung ist eine Kopplung von FLUENT und CHEMKIN, wobei jedes der beiden Programme so eingesetzt wird, dass die jeweiligen Stärken bestmöglich ausgenutzt werden: Mit FLUENT erfolgt die Berechnung von Strömungs- und Temperaturfeldern bei sehr guter Ortsauflösung. Trotz stetiger Fortschritte in der Computertechnik ist dies auch auf modernen Hochleistungsrechnern nur unter Verwendung von Verbrennungsmodellen möglich, die auf teilweise groben Vereinfachungen der Reaktionsmechanismen basieren.


Der CHEMKIN-Ansatz verfolgt eine umgekehrte Philosophie: Öfen werden mittels grundsätzlicher strömungsmechanischer Betrachtungen in charakteristische Zonen unterteilt und als Reaktornetzwerke dargestellt (siehe Abbildung 6). Bei der Berechnung eines Ofens mittels eines solchen Reaktornetzwerks können umfangreiche Mechanismen mit mehreren hundert Einzelreaktionen berücksichtigt werden. Auf diese Weise werden wertvolle Informationen über die Hauptbildungspfade für NOx und CO gewonnen. Die Ergebnisse beider Modellierungsansätze werden untereinander und mit Messergebnissen verglichen.

 

 

 

Abb. 1: IEVB Ansatz zur Kopplung einer CHEMKIN-Simulation (grau) mit einer FLUENT-Berechnung (farbig) zur Modellierung von MILD-Verbrennung

 

Es konnte gezeigt werden, dass die CFD-Berechnungen mit Ausnahme einer kleinen Region innerhalb des Erdgasstrahls zu sehr guten Übereinstimmungen mit den Messergebnissen führen. Die Berechnung der Wärmeübertragung erfolgt mit hoher Genauigkeit, ebenso die Berechnung der Felder für Strömungsgeschwindigkeiten und Temperatur. Für mehrere Kombinationen von Verbrennungsmodellen und NOx-Postprozessoren stimmen die berechneten Emissionswerte sehr gut mit den gemessenen überein. Die mathematische Modellierung hat gezeigt, dass die stark verringerten Temperaturfluktuationen eine der am meisten hervorstechenden Eigenschaften der MILD-Verbrennung sind. Für eine gute Vorausberechnung der NOx-Emissionswerte erwies sich eine korrekte Berechnung der Mittelwerte für Temperatur und Sauerstoffkonzentration in der Mischungszone von Erdgas und Luft als Hauptgebiet der NOx-Bildung als ausreichend. Gegenwärtig ist die Arbeit auf die folgenden Hauptpunkte ausgerichtet:

(a) Die Berechnung der Leistungsfähigkeit von MILD-Technik für Durchlauföfen
(b) Die Beurteilung des Potentials der MILD-Verbrennung für andere industrielle Anwendungen
(c) Die Entwicklung von Modellen zur Gichtgasverbrennung
(d) Der Aufbau eines Erfahrungsschatzes bei der instationären Modellierung von Verbrennungsprozessen.

 

 

Abb. 2: Strömungswege von Gas und Luft im Falle einer MILD-Verbrennung (Gasbefeuerung,links) und Temperaturverteilung in einem Kessel, speziell für MILD-Verbrennung ausgelegt (Kohlefeuerung, rechts).

 

Thermodynamik, Wärmeübertragung und Strömungsmechanik des Heat Recovery - Koksofens (HR)

Durch veränderte Marktanforderungen an den Umweltschutz werden in den letzten zwei Jahrzehnten in Brasilien, Indien, den USA sowie vor allem in China Koksöfen einer älteren Entwicklungslinie großtechnisch gebaut, bei denen das bei der Kohlepyrolyse entstehende Rohgas nicht zur Herstellung von gereinigtem Koksofengas und Spaltprodukten wie Schwefel, Benzol und Teer aufbereitet wird. Es wird vielmehr in den Brennkammern verbrannt, um die benötigte Prozesswärme für den Pyrolysevorgang zu erzeugen. In der Kokereifachwelt konzentrieren sich die Diskussionen im Zusammenhang mit der HR - Technologie zunehmend auf die Bestimmung des Zeitpunktes, an dem die Rohgasentwicklung und damit der Pyrolysevorgang in der Ofenkammer zum Abschluss gekommen ist und der Koks aus dem Ofen gedrückt werden kann. Dieser Zeitpunkt wird als Betriebszeit des Ofens bezeichnet und ist erreicht, wenn die in der Kohle befindlichen flüchtigen Bestandteile, zumeist Methan, hohe Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Kohlenmonoxid, vollständig freigesetzt und verbrannt sind. Kennzeichnend für diesen Zeitpunkt sind für den Anlagenbetreiber in der Regel ein Anteil flüchtiger Restbestandteile im Koks von weniger als einem Prozent bzw. Kokstemperaturen größer als 950 °C. Die belastbare Einschätzung der Betriebszeit ist bei vorgegebener Koksproduktionsmenge und in Verbindung mit dem Ofennutzvolumen ein wesentliches Auslegungskriterium für die Ofenanzahl einer Kokereianlage. Versucht man aus der Literatur, Firmenprospekten und Angebotsdaten eine Einschätzung der Betriebszeit abzuleiten, so fällt die enorme Streubreite der Daten auf. Obwohl in den letzten Jahrzehnten die mathematische Beschreibung instationärer Wärmeübertragungsvorgänge im Horizontalkammerofen bereits Gegenstand einer Vielzahl theoretischer und praktischer Untersuchungen war, wurden zum Wärmehaushalt des HR - Ofens trotz seiner langen Entwicklungsgeschichte bisher keine theoretische Arbeiten vorgestellt. Mit den derzeit verfügbaren Berechnungsmodellen können für diesen Ofentyp bisher zumeist nur stationäre Wärmeleitvorgänge ohne innere Wärmequellen berechnet werden. Unterstützt von einem Partner aus der Industrie arbeitet das IEVB derzeit daran, die thermodynamischen und strömungsmechanischen Grundlagen der HR - Verkokungstechnologie durch eine vertiefte theoretische Durchdringung zu erweitern und erste allgemeingültige Modellansätze zur Berechnung wichtiger Prozessgrößen vorzustellen. Diese Aufgabe hat eine vergleichbare und in Teilen höhere Komplexität als in den mathematischen Modellen für die konventionelle Koksofentechnik, die bereits in früheren Arbeiten dokumentiert ist. Insbesondere stellen die komplexen Verhältnisse im Ofengewölbe und die Kopplung von Energiebedarf und Angebot des Energieträgers eine erhebliche Herausforderung an die Modellierung dar. Für die industrielle Applikation wird die Entwicklung eines instationären Simulationsmodells angestrebt, dass die wesentlichen Wärmeübertragungsvorgänge im HR - Ofen berücksichtigt und der Berechnung der Betriebszeit dient. Diesbezüglich soll die Anwendbarkeit verschiedener ein- und zweidimensionaler Modellansätze untersucht werden. Da in der Fachliteratur die physiko-chemischen Stoffgrößen zu diesem Verkokungsverfahren bisher nicht beschrieben wurden, steht zunächst die Bestimmung eines Datensatzes für kompaktierte Ofenchargen im Vordergrund der Untersuchung. Sowohl die thermodynamischen Randbedingungen (z.B. Rohgasvolumenstrom, Luftüberschusszahlen, Emissionsgrade) als auch die physiko-chemischen Stoffgrößen (z.B. Temperaturleitkoeffizienten, spezifische Wärmekapazität) müssen dabei zu einem großen Teil praxisnah unter Verwendung messtechnischer Methoden ermittelt werden. Um auch numerische Konvergenzkriterien zu erfüllen, musste das Ofendesign auf eine möglichst hinreichend einfache Geometrie zurückgeführt werden. HR - Öfen bilden als Kolbenströmer über der Ofenlänge ein Temperaturprofil aus. Um dem Rührkesselansatz des Simulationsmodells und damit der Modellvoraussetzung zu entsprechen, ist es erforderlich, Designlösungen und Konstruktionsprinzipien zu entwickeln, die eine gleichmäßige Aufteilung der Verbrennungsluft und damit gleichmäßige Wärmeübertragung an die Kohle über der Ofengrundfläche gewährleisten. Die Arbeit stellt sich daher darüber hinaus die Aufgabe, unter Zuhilfenahme eines dreidimensionalen, komplexen Strömungs- und Verbrennungsmodells Konstruktionsprinzipien zur Optimierung der Mischungsverhältnisse in der Brennkammer abzuleiten. Im Vordergrund der Untersuchung stehen vor allem das Design und die Anordnung der Primärluftöffnungen sowie der Downcomerkanäle. Um die numerische Effizienz zu erhöhen, ist die Einteilung des Ofens in geeignete Teilund Halbsegmente von Vorteil. Als Hilfsmittel kommt die Software FLUENT 6.2 zur Anwendung, die auf einer Einteilung des betrachteten Segmentes in Finite Volumen basiert. Ein Teilmodell zur Berechnung der Druckverhältnisse im Ofen vervollständigt das strömungstechnische Simulationspaket für den HR - Ofen. Die Herangehensweise wurde in mehrere Phasen gegliedert und basiert auf der Aufteilungder Ofengeometrie in mehrere Teilmodelle:

1. Eindimensionales, instationäres Verkokungsmodell für den kompaktierten Kohle-/ Koksbesatz in der Kammer des Oberofens auf Basis der Plattengeometrie zur Bestimmung des Betriebszustandes „Garungsende“.

2. Zweidimensionales, instationäres Verkokungs- und Verbrennungsmodell für die Kammer des Oberofens zur Bestimmung des Betriebszustandes „Garungsende“ sowie zur Darstellung charakteristischer Temperaturverläufe. Das Berechnungsmodell weist keine geometrische Kopplung zwischen Ober- und Unterofen auf. Die verfahrenstechnische Kopplung zum Unterofen wird zeitabhängig adaptiert.

3. Zweidimensionales, instationäres Verkokungs- und Verbrennungsmodell zur Bestimmung des Betriebszustandes „Garungsende“ sowie zur Darstellung charakteristischer Temperaturverläufe im Ober- und Unterofen unter Berücksichtigung einer umfassenden verfahrenstechnischen und geometrischen Kopplung von Ober- und Unterofen.

4. Dreidimensionales stationäres Strömungsmodell, bei dem die Optimierung der Anordnung und des Designs der Primär- und Sekundarlufteintrittsöffnungen im Vordergrund steht.

5. Validierung der Modelle an Referenzfällen für Schütt- und Kompaktierbetrieb

Auf der linken Seite in Abbildung 3 ist ein stationäres Temperaturprofil für einen HR - Ofen dargestellt. Die rechte Seite zeigt für ausgewählte Ofenbereiche Temperaturverläufe für eine zweidimensionale, instationäre Berechnung, die am Ende der untersuchten Betriebsreise in ein zweidimensionales, rechtsseitig angeordnetes Endprofil übergehen.

 

Abb. 3: Stationäres und instationäres Temperaturprofil eines HR - Ofens

 

Mit dem zweidimensionalen Modell sollen im nächsten Schritt die Anwendungsgrenzen dieser Verkokungstechnik im Hinblick auf die Prozessführung erarbeitet werden. Die Besonderheit dieser Verkokungstechnik liegt in der geringen Einflussnahme auf das Energieangebot aus der Rohgasentbindung in Verbindung mit der Verbrennungsführung. Dabei werden ausschließlich energetische und materialspezifische Grenzwerte ausgelotet. Aus den bisherigen Simulationsergebnissen lässt sich jedoch bereits heute ableiten, dass zur Erzielung optimaler Betriebszeiten der HR - Ofen grundsätzlich auf einem möglichst hohen Temperaturniveau gehalten werden muss. Im Hinblick auf das Temperaturregime im Ofen ist darüber hinaus die definierte und zeitgerechte Kalibrierung der Primär- und Sekundärluftanteile von hoher Bedeutung.Darüber hinaus wird erwartet, dass es für die Flüchtigen Bestandteile der Einsatzmischung eine Untergrenze gibt, ab der der Verkokungsprozess sich unvertretbar verlängert bzw. ganz zum Erliegen kommt. Praktische Erfahrungen bestätigen dies. Ein zu hoher Anteil an Flüchtigen Bestandteilen wird jedoch zu extremen Ofentemperaturen führen, die die zulässigen Anwendungsgrenzwerte des Feuerfestmaterials überschreiten.Aus den bisherigen Erkenntnissen ist somit bereits im derzeitigen Bearbeitungsstadium erkennbar, dass für den adäquaten Wärmehaushalt eines im „Hochleistungsbetrieb“ operierenden Heat-Recovery-Ofens nur ein limitierter Anteil der weltweit verfügbaren Kohlen zur Anwendung kommen kann.

 

Vergasung von Biomasseschlamm (Slurry)

Der Einsatz von Biomasse als CO2-neutraler erneuerbarer Brennstoff gewinnt immer weiter an Bedeutung wegen der beschränkten Verfügbarkeit an fossilen Brennstoffen und deren Auswirkungen auf die globale Erwärmung. Daher wird erwartet, dass Biomasse nach und nach fossile Brennstoffe zu einem gewissen Teil ersetzen wird. In Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) arbeitet das IEVB an der Auslegung eines Flugstromvergasers. Am FZK wird ein neues Verfahren - BIOLIQ R- entwickelt. Hierbei werden Stroh und andere lignocelluläre landwirtschaftliche Beiprodukte durch Pyrolyse und anschließender Vergasung in ein Synthesgas umgewandelt.
Das teerfreie Synthesegas kann in synthetische Brennstoffe oder Methanol umgewandelt werden.
Die Effizienz der Umwandlung der Biomasse in das Synthesegas ist der Schlüsselfaktor für den Erfolg des neuen Prozesses. Für die Auslegung des 500 MW Vergasers ist dasVerständnis für das Vergasungsverhalten der Biomasse - einer brennbaren Flüssigkeit mit eingelagerten Koksteilchen - notwendig. Zur Auslegung der Vergasereinheit können die Vorteile von CFD-Simulationen ausgenutzt werden, da hier die für die industrielle Auslegung wichtigen Aspekte wie Mischung, chemische Reaktionen und Wärmeübertragung direkt in der Berechnung miteinander verbunden werden können. Da die Technologie hohe Temperaturen und hohe Drücke erfordert, müssen in der Simulation mehrere Modelle angepasst werden, um der notwendigen Genauigkeit der industriellen Anwendung gerecht zu werden. Die meisten der aus der Literatur bekannten Modelle sind nicht darauf ausgelegt, unter den hier vorliegenden Betriebsparametern angewendet zu werden. Daher wurden vom IEVB folgende Modelle neu entwickelt oder angepasst:

  • Gas- und Flüssigkeitseigenschaft unter nicht-idealen Bedingungen
  • Strahlungseigenschaften der eingesetzten Stoffe unter realen Betriebsparametern
    (Temperatur, Druck)
  • Bio-Öl-Verdampfung bei hohem Druck und hoher Temperatur
  • Kohle- und Biomasse-Vergasung

 

Ein beispielhaftes Ergebnis ist in Abbildung 4 dargestellt. Auf der rechten Seite sind die Gasströmungslinien und auf der linke Seiten ein Auszug der Partikelflugbahnen zu sehen. Ein wichtiger Aspekt der Auslegung ist die Position der Vergasungszone. In der gezeigten Auslegung kann die Vergasungszone des festen Kokses in der Mitte des Reaktors angenommen werden. Dies erlaubt, dass der  Vergasungsprozess vollendet wird und dass die Möglichkeit besteht, dass die Wassergas-Shift-Reaktion in Richtung chemisches Gleichgewicht verschoben wird. Dadurch entstehen mehr brennbare Gase aus Wasser und Kohlendioxid. Dazu müssen die Rezirkulationswege und die Rezirkulationskräfte innerhalb des Reaktors bestimmt werden. In der vorliegenden Konfiguration ist die Rezirkulationszone am Boden des Reaktors platziert. Diese Auslegung sorgt dafür, dass Kokspartikel, die bisher eventuell noch nicht reagiert haben, in die Mitte des Reaktors zurück transportiert werden, wo die Reaktionen schneller und effektiver ablaufen.

 


 

Abb. 4: Partikelflugbahnen im Flugstromvergaser und Strömungslinien des Gases in der Gasrezirkulationszone

Ansprechpartner:Dr.-Ing. M. Mancini

 

Suche  Sitemap  Datenschutz  Impressum
© TU Clausthal 2019