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BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbHBIOS BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasseInffeldgasse 21b, A21b, A--8010 Graz, 8010 Graz, AustriaAustria
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CFDCFD--Simulation von BiomasseSimulation von Biomasse--Rostfeuerungen Rostfeuerungen ––Stand der Technik und aktuelle WeiterentwicklungenStand der Technik und aktuelle Weiterentwicklungen
Dipl.-Ing. Dr. Robert ScharlerDipl.-Ing. Dr. Martin Forstner
Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ingwald Obernberger
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz ÜberblickÜberblick
Stand der Technik – eine ausgewählte Designstudie
Zielsetzungen und Rahmenbedingungen
Empirisches Abbrandmodell
Eingesetzte CFD-Modelle
Ergebnisse Designstudie
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Aktuelle Neuentwicklungen – Beispiele
Überblick
NOx-Postprozessing
Wärmetauschermodellierung
Depositionsmodellierung
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
Fallstudie Fallstudie –– Zielsetzungen und Zielsetzungen und Rahmenbedingungen Rahmenbedingungen
Modulare Entwicklung einer Multifuel-Low-NOx-Biomasse-Rostfeuerung sowie Ableitung von allgemeinen Richtlinien für die Gestaltung und den Betrieb von Biomasse-Rostfeuerungen
Möglichst kleine und kompakte Bauweise der Feuerung
Möglichst vollständiger Rauchgasausbrand, niedriger Luftüberschuss und Einhaltung des CO-Emissionsgrenzwertes:
Effiziente Durchmischung des unverbrannten Rauchgases
Gute Ausnutzung des Feuerraumvolumens
Bestmögliche Vermeidung von Temperaturspitzen (Verschlackungsgefahr!) und Geschwindigkeitsspitzen (Erosionsgefahr!)
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz BiomasseBiomasse--AbbrandmodellAbbrandmodell
Definition von Profilen welche die Verteilung von Primärluft und rez. Rauchgas sowie die thermische Zersetzung der festen Biomasse (Komponenten C,H,O) und die Brennstofftrocknung entlang des Rostes vorgeben (basierend auf Testläufen)
Definition von Konversionsparametern für CH4, H2, CO, CO2, H2O und O2 im freigesetzten Rauchgas (basierend auf Literaturdaten und Laborreaktorversuchen)
Bilanzierung von Masse, Spezies und Energie entlang des Rostes (1D-Modell)
Temperatur- und Speziesprofile des Rauchgases entlang des Rostes
Kon
zent
ratio
n [G
ew%
RG
f]
0
400
800
1200
1600
0 0.5 1 1.50
4
8
12
16Temperaturewt% H2O (w. b.)
Rostlänge [m]
Rau
chga
stem
pera
tur [
K]
Temperatur
[H2O]
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz CFD ModellierungCFD Modellierung
Turbulenz
Gasphasen-Verbrennung
Strahlung
Realizable k-ε Model
Eddy Dissipation Model (EDM) / Globaler Methan 3-Schritt Mechanismus (CH4, CO, CO2, H2, H2O und O2)
Discrete Ordinates Model
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
Fallstudie Fallstudie ––entwickelte Feuerungentwickelte Feuerung
Primärver-brennungszone
Sekundärluftdüsen
Sekundärver-brennungszone
Eintritt Kessel
Rezirkulations-düsen
21 43
Biomasse-Brennstoffbett
Tertiärluftdüsen Wirbelbarrieren
Konzept einer Multifuel-Low-NOx-Biomasse-Rostfeuerung
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
Fallstudie Fallstudie –– Untersuchung Untersuchung Primärverbrennungszone Primärverbrennungszone
Berechnete CO-Profile für verschiedene FeuerungsdesignsErläuterungen: Figur A...Variante ohne Zufuhr von rezirkuliertem Rauchgas über dem Brennstoffbett; Figur B...Bestfall der untersuchten Varianten hinsichtlich der Gestaltung der RG-Rezirkulationsdüsen
A B
Verbesserung von Durchmischung und Feuerraumausnutzung durch Einblasung von rezirkuliertem RG durch Düsen über dem Brennstoffbett (CO- und NOx-Reduktion)
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
Fallstudie Fallstudie –– Untersuchung Untersuchung Sekundärverbrennungszone Sekundärverbrennungszone
Verbesserte Durchmischung bzw. Homogenisierung des Rauchgasstromes durch Induzierung einer Sekundär-/Wirbelströmung mittels Sekundärluftdüsen
Vektorfeld der Rauchgasgeschwindigkeit in einem Querschnitt unmittelbar nach den Sekundärluftdüsen des Bestfalles der untersuchten Varianten hinsichtlich der Düsen-Gestaltung
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
Fallstudie Fallstudie ––Zusammenfassung und Zusammenfassung und
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen
Kompakte Bauweise (reduzierte Investitionskosten) und verminderte Luft-und Rauchgasströme (reduzierte Betriebskosten und verbesserter Wirkungsgrad) durch CFD-Optimierung der turbulenten Durchmischung und Feuerraumausnutzung
Erhöhte Anlagenverfügbarkeit durch abgesenkte Rauchgastemperatur-(verminderte Verschlackungsneigung) und Geschwindigkeitsspitzen (verminderte Erosionsneigung)
CFD ist ein effizientes Werkzeug zur Auslegung von Biomasse-Rostfeuerungen und führt letztendlich zu einer größeren Sicherheit bei der Anlagenauslegung und zu deutlich reduzierten Entwicklungszyklen und erforderlichen Testläufen.
Die Simulationsergebnisse zeigten auch, dass die Weiterentwicklung der eingesetzten Modelle sowie die Entwicklung neuer Modelle notwendig sind, um einerseits deren Vorhersagegenauigkeit weiter zu verbessern und andererseits auch eine Aussage über wesentliche feuerungstechnische Problemstellungen, die bisher mittels CFD nicht behandelt werden konnten, wie z.B. die Bildung von NOx und von Flugaschedepositionen zu erhalten.
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
Überblick Überblick ––aktuelle Entwicklungenaktuelle Entwicklungen
Entwicklung eines NOx-Postprozessors
Modellierung konvektiver Wärmetauscherbündel
Depositionsmodellierung
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz CFDCFD--NONOxx--PostprozessorPostprozessor
Entwicklung eines NOx-Postprozessors
Erweiterung des Abbrandmodells um die NOx-Vorläufer NO, NH3 und HCN
Eddy Dissipation Concept
Detaillierte Kinetik (Kilpinen 92)
ISAT (In-Situ Adaptive Tabulation) Algorithmus für die Reaktionskinetik
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz CFDCFD--NONOxx--PostprozessorPostprozessor
NH3-Emissionen am Kesselaustritt:Messung: nicht detektierbarSimulation < 1 ppmv
NOx-Emissionen am Kesselaustritt:Messung: 264 ppmvSimulation: 287 ppmv
Oberkante Brennstoffbett
RRD
SLD
Simulierte Molenbrüche von NH3 (links) und NO (links) in der vertikalen Symmetrieebene einer Rostfeuerungs-Pilotanlage und Vergleich mit Emissionsmessungen am KesselaustrittErläuterungen: Kesselnennleistung 440 kW; Brennstoff Spanplatten (W 11); λprim < 1;RRD...Rauchgas-Rezirkulationsdüsen; SLD...Sekundärluftdüsen;
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz CFDCFD--NONOxx--Postprozessor Postprozessor
Simulierte Temperaturen in den Feinskalentemperaturen [°C] (links) und Molenbrüche von NO [-] (rechts) in der Symmetrieebene einer Biomasse-Rostfeuerung im IndustriemaßstabErläuterungen: Kesselnennleistung 7,2 MW; Brennstoff Altholz (W 18); λprim > 1; RRD...Rauchgas-Rezirkulationsdüsen; SLD...Sekundärluftdüsen;
Sehr hohe Temperaturen in den feinen Turbulenzstrukturen, die thermisches NOx verursachen ⇒ zu grobe Vereinfachungen des Festbettmodells und der Basis-Verbrennungssimulation mitdem Eddy Dissipation Model
RRD
SLD
NOx-Emissionen am Kesselaustritt:Messung: 140 ppmvSimulation: 213 ppmv
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
CFDCFD--Modellierung Modellierung konvektive Wärmetauscherkonvektive Wärmetauscher
Modellierung konvektiver Wärmetauscherbündel
Eine detaillierte Berechnung ist zu aufwändig ⇒Finite Zellen basiertes Modell
Berechnung von Lenkungseffekten, Druckverlust und Wärmeübergang
basierend auf Literaturdaten und 2D-Berechnungen
Wasserrohrkessel, Thermoölkessel, Rauchrohrkessel
Primär- und Sekundärwärmeträgerseite
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
CFDCFD--Modellierung Modellierung konvektive Wärmetauscher konvektive Wärmetauscher
Econo-miser
Econo-miser
1. Zug 2. Zug
Strömung
Brennstoffbett
Verdampfer
Überhitzer
CFD-Einlass
Rohrreihe
Rohrreihen
CFD-Auslass
SLD RRD
CFD-Modell eines mit Altholz befeuerten Biomasse-Dampfkessels Erläuterungen: Brennstoffwärmeleistung 21 MW; Brennstoff Altholz W 16;RRD...Rauchgas-Rezirkulationsdüsen; SLD...Sekundärluftdüsen
Überhitzer
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
CFDCFD--Modellierung Modellierung konvektive Wärmetauscherkonvektive Wärmetauscher
M1
M3
M2 Vergleich: Messung (Thermoelemente) --
-- CFD - Simulation
Profile der Rauchgastemperatur in [°C] im Konvektionsteil eines altholzbefeuerten Dampfkessels (Wasserrohrkessels) und Vergleich mit TemperaturmessungenErläuterungen: Brennstoffwärmeleistung 21 MW; Brennstoff Altholz W 16;
Messung CFD-
Simulation c
M1 598 °C 593 °C -0.5%
M2 411 °C 404 °C -1%
M3 150 °C 150 °C 0%
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
CFDCFD--Modellierung Modellierung konvektive Wärmetauscherkonvektive Wärmetauscher
Profile der mittleren (links) und maximalen (rechts) Temperaturen an den Rohroberflächen [°C] des Konvektionsteils eines altholzbefeuerten Dampfkessels (Wasserrohrkessel) Erläuterungen: Brennstoffwärmeleistung 21 MW; Brennstoff Altholz W 16;
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
CFDCFD--Modellierung Modellierung AschedepositionenAschedepositionen
DepositionsmodellierungAufbau, Wachstum und Zusammensetzung von Depositionen (Silikate und Salze)
Implementierung von thermodynamischen Gleichgewichtsberechnungen⇒ Zusammensetzung der flüchtigen Aschebildner, Klebrigkeit von Salzpartikeln
Abbildung von groben Flugaschepartikeln, Aerosolen und direkter Wandkondensation
Kopplung von Wärmetauschermodell und Depositionsmodell –Berücksichtigung der Depositionsbildung auch im konvektiven Teil des Wärmetauschers (zukünftig vorgesehen)
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
CFDCFD--Modellierung Modellierung AschedepositionenAschedepositionen
Qualitative Darstellung von Aschedepositionen an den Wänden einer Biomasse-RostfeuerungErläuterungen: Kesselnennleistung 440 kW; Brennstoff Altholz W 27; RRD...Rauchgas-Rezirkulationsdüsen; SLD...Sekundärluftdüsen; PVZ...Primärverbrennungszone; SVZ...Sekundärverbrennungszone; Impaktion von groben Flugaschepartikeln und direkte Wandkondensation, keine Berücksichtigung von Erosion
Flammrohr –Strahlungsteil Kessel
Oberkante Brennstoffbett
SLD
RRD
SVZPVZ
PVZ
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
Aktuelle Neuentwicklungen Aktuelle Neuentwicklungen ––Zusammenfassung und Zusammenfassung und Schlussfolgerungen (I)Schlussfolgerungen (I)
NOx-PostprozessorErste Tests mit einem NOx-Postprozessor basierend auf detaillierter Kinetik wurden erfolgreich durchgeführt. Weitere Tests zur Validierung sind notwendig:
Zu grobe Vereinfachungen des Festbett-AbbrandmodellsPrüfung der Gasphasenkinetik notwendigZu einfaches Modell für die Basis-Verbrennungssimulation
Ein verbessertes Festbett-Abbrandmodell soll implementiert werden.
Ein verbessertes Gasphasen-Verbrennungsmodell soll implementiert werden.
Ein reduzierter Gasphasen-Mechanismus zur Berechnungszeit-Reduktion soll implementiert werden.
BIOENERGIESYSTEME GmbHInffeldgasse 21b, A-8010 Graz
Aktuelle Neuentwicklungen Aktuelle Neuentwicklungen ––Zusammenfassung und Zusammenfassung und Schlussfolgerungen (II)Schlussfolgerungen (II)
Wärmetauscher-ModellierungEin Modell für konvektive Wärmetauscherbündel wurde erstellt. Dieses Modell erlaubt ein optimiertes Design von Biomasse-Kesseln und stellt eine wichtige Basis für die nachfolgende Depositions-modellierung dar.
DepositionsmodellierungEin Depositionsmodell für Biomasse-Rostfeuerungen wird derzeit entwickelt. Das Modell ermöglicht derzeit die Abbildung der Deposition von groben Flugaschepartikeln sowie der Wandkondensation von Aschedämpfen.
Als nächster Schritt wird ein Aerosolmodell an die Berechnungen angebunden.
Eine Kopplung mit dem Modell für konvektive Wärmetauscher soll durchgeführt werden.