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CFD-Simulationen

Grundlagen und Überblick

Numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) wird zunehmend für die Lösung von technischen Problemen in Verbindung mit Strömungen eingesetzt. Die Anwendungen haben eine große Bandbreite: Simulationen in der Automobil- und Flugzeugindustrie, in der biomedizinischen Industrie, Kühlung von elektronischen Geräten, Verfahrenstechnik, Turbomaschinenbau, Verbrennung, Wärme- und Stromerzeugung sowie Wärme- bzw. Kältetransportleitungen sind mögliche Anwendungen.

Auf dem Gebiet der Verbrennung / Energietechnik wird CFD für die die Optimierung von Gasbrennern, Ölbrennern und Kohlestaubfeuerungen eingesetzt. Die CFD-Modellierung von Biomasse-Rostfeuerungen ist aufgrund der Komplexität der Verbrennung fester Biomasse auf Rosten sowie der turbulenten, reaktiven Strömung in der Brennkammer besonders schwierig. BIOS hat in Kooperation mit Forschern der Technischen Universität Graz, Institut für Prozess- und Partikeltechnik, mit Erfolg ein CFD-Modell entwickelt, welches für die Entwicklung und Optimierung von Biomasse-Rostfeuerungen maßgeschneidert ist. Das CFD-Modell besteht aus einem eigenentwickelten empirischen Rostmodell sowie aus modifizierten und im Labormaßstab validierten Submodellen der CFD-Software FLUENT für die Simulation der turbulenten, reaktiven Strömung in der Brennkammer.

Die Anwendbarkeit der Modelle sowie die Verlässlichkeit der Simulationsergebnisse wurden an Feuerungen im Pilot- sowie im industriellen Maßstab geprüft.

Die CFD-Routinen, die für Biomasse-Feuerungen und Kessel entwickelt wurden, sind mit Erfolg in einer Vielzahl von Fällen für die Entwicklung von Feuerungen und Kesseln sowie für die Optimierung existierender Biomasse-Verbrennungsanlagen aller Leistungsklassen von Kleinfeuerungen bis zu Mittel- und Großanlagen eingesetzt worden.

Im Bereich der Kleinfeuerungen wurden CFD-Simulationen von BIOS in den letzten Jahren verstärkt zur Unterstützung von Prototypenentwicklungen eingesetzt. So wurden neben Pelletkesseln und Hackgutkesseln auch Scheitholzkessel und scheitholzbefeuerte Kaminöfen simuliert. Zur Simulation des instationären Scheitholzabbrandes wurde das empirische Abbrandmodell für Rostfeuerungen modifiziert und mittels Vergleich mit Testläufen erfolgreich getestet. Dabei wurde das Basis-Abbrandmodell angepasst, um ein Zeitprofil des Scheitholzabbrands durch Umrechnung des Wegprofils entlang des Rosts abzuleiten. Mit den festgelegten Zeitprofilen kann dann zu jedem Zeitpunkt die Zusammensetzung eines fiktiven Brennstoffes, welcher sich aus den beim Abbrand abgebauten Anteilen der Brennstoffkomponenten C, H, N und O sowie aus dem verdampften Wasser zusammensetzt, festgelegt werden.

Die Entwicklung und Optimierung von Biomasse-Feuerungsanlagen mittels CFD-Analyse führt zu einer beträchtlichen Reduktion von Investitions- und Betriebskosten aufgrund einer kompakten Brennkammergestaltung, einer erhöhten Verfügbarkeit von Anlagen sowie aufgrund von reduzierten Emissionen und reduzierten Luft- und Rauchgasströmen in der Feuerung. Das wird durch eine geeignete Gestaltung der Düsen für Luft- und Rauchgaszufuhr sowie durch die Ausformung der Form der Brennkammer (z.B. Barrieren) erzielt, um so die Mischung von unverbranntem Rauchgas und Luft sowie die Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Brennkammervolumens zu verbessern.

Besonders bei Kleinfeuerungsanlagen ist auf den Druckverlust über die Zufuhr von rez. Rauchgas und Sekundärluft bzw. die Rauchgasrezirkulationsdüsen und Sekundärluftdüsen zu achten, um die Investitions- und Betriebskosten für die eingesetzten Ventilatoren niedrig zu halten. Mittels CFD-Simulationen können die Druckverluste über die Sekundärluftzufuhr und die Sekundärluftdüsen sowie über Feuerung und Kessel detailliert berechnet und die Auswirkung der Sekundärlufteinmischung auf den CO-Ausbrand quergeprüft werden.

Weiters hilft die CFD-Analyse, Geschwindigkeits- und Temperaturspitzen des Rauchgases in verschiedenen Feuerungs- und Kesselzonen zu vermeiden, welche von spezieller Relevanz hinsichtlich erhöhter Materialbelastung und Depositionsbildung sind. Für trockene Brennstoffe (z.B. Altholz) können zusätzliche Maßnahmen wie Brennkammerkühlung notwendig sein und werden deshalb durch CFD-Simulationen untersucht. Zusätzlich kann mit Hilfe der Berechnung von Partikeltrajektorien der Einfluss des partikelbeladenen Rauchgasstromes auf mögliche Materialbelastung durch Erosion bewertet und so bei der Materialauswahl berücksichtigt werden bzw. können Erosionserscheinungen durch geeignete geometrische Modifikationen vermieden werden. Weiters kann mit der Berechnung von Partikeltrajektorien die Abscheidung von Grobstaubpartikeln in verschiedenen Anlagenzonen untersucht und bewertet werden. Effektive Verweilzeiten von Rauchgas- und Partikelströmen sind hinsichtlich mindesterforderlicher Reaktionszeiten in einzelnen Feuerungszonen von Interesse und können mittels einer räumlich aufgelösten Berechnung von Verweilzeitverteilungen (mittels Partikeltrajektorien oder skalarer Transportgleichungen der Verweilzeiten) ermittelt werden.

Die CFD-Analysen führen letztendlich zu einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Vorgänge in der Feuerung und damit auch zu einer wesentlich höheren Sicherheit bei der Anlagenentwicklung. In diesem Sinne kann auch ein simulationsgestütztes Monitoring bereits errichteter Anlagen sehr vorteilhaft sein, da es zu einer effizienten Analyse und Optimierung des Anlagenbetriebes beiträgt (siehe auch Anlagenmonitoring).

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CFD Broschüre – PDF#0105

 

Die folgenden Anwendungsgebiete werden von BIOS mittels CFD bearbeitet:

Gestaltung und Optimierung der Geometrie von Biomasse-Feuerungsanlagen

Geometrie der Düsen zur Einblasung von Sekundärluft und rezirkuliertem Rauchgas

Die Gestaltung der Sekundärluft- und Rezirkulationsdüsen ist ein Schlüsselfaktor, um die folgenden Anforderungen zu erfüllen:

  • Möglichst gute turbulente Durchmischung und Homogenisierung der Strömung über den Querschnitt des Rauchgaskanals
  • Minimierung des Feuerungsvolumens
  • Reduktion des Luftüberschusses und des Rezirkulationsverhältnisses (Wirkungsgrad, Betriebskosten)
  • Reduktion der CO-Emissionen und der NOx-Emissionen
  • Reduktion von Temperaturspitzen (Fouling und Verschlackung) sowie von Rauchgas-Geschwindigkeitsspitzen (Materialbeanspruchung und Erosion)

In der nachfolgenden Abbildung ist ein Beispiel einer realisierten Feuerungsgeometrie, die durch CFD-Analyse optimiert wurde, dargestellt. Durch die Anordnung der Sekundärluftdüsen wurden optimierte Mischungsbedingungen und eine signifikante Reduktion der CO-Emissionen und der Temperaturspitzen erzielt.

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Geometrie der Brennkammer

Die Gestaltung der Brennkammerform ist von großer Wichtigkeit, um die Anforderungen, die bereits hinsichtlich des Designs der Düsen für Sekundärluft- und Rauchgaseinblasung dargestellt wurden, einhalten zu können.
In den nachfolgenden Abbildungen sind exemplarische Ergebnisse einer Low-NOx Biomasse-Rostfeuerung für eine breite Brennstoffpalette (Altholz, Hackgut und Rinde), die bereits als Pilotanlage und auch mehrfach als Anlage im Industriemaßstab realisiert wurde, dargestellt. Die Kombination vertikaler Barrieren und einer gestuften Sekundärluftzufuhr führt zu einer guten turbulenten Durchmischung, einer homogenen Verteilung der Rauchgaszusammensetzung und einer guten Ausnutzung der Sekundärverbrennungszone. Neben einem vereinfachten und deutlich reduzierten Feuerungsvolumen konnten die folgenden Vorteile erzielt werden:

Starke Reduktion der CO-Emissionen

CO-Profile [ppmv] in der Symmetrieebene der Feuerung

Absenkung der Temperaturspitzen (Fouling & Verschlackung)

Temperaturprofile [°C] in einem horizontalen Querschnitt auf Höhe der vertikalen Barrieren sowie der Sekundärluftdüsen

Absenkung der Rauchgas-Geschwindigkeitsspitzen (Erosion & Materialbeanspruchung)

Profile der Rauchgasgeschwindigkeit [m/s] in einem horizontalen Querschnitt auf Höhe der vertikalen Barrieren sowie der Sekundärluftdüsen

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Optimierte Konzeption von Kaminöfen

Das für Biomasse-Rostfeuerungen entwickelte Basis-Abbrandmodell, welches entwickelt wurde, um die Freisetzung der Rauchgaskomponenten beim Abbrand am Rost zu beschreiben und um Randbedingungen für die CFD-Simulation der turbulenten reaktiven Strömung im Feuerraum zu erhalten, wurde speziell für die Scheitholzverbrennung in Kaminöfen und Scheitholzfeuerungen, welche im diskontinuierlichen Batch-Betrieb betrieben werden, angepasst. Dabei wird ein Zeitprofil des Scheitholzabbrands durch Umrechnung des Freisetzungsprofiles entlang des Rosts, welches mit dem Basis-Abbrandmodell ermittelt wird, berechnet. Mit den festgelegten Zeitprofilen kann dann zu jedem Zeitpunkt die Zusammensetzung eines fiktiven Brennstoffes, welcher sich aus den beim Abbrand abgebauten Anteilen der Brennstoffkomponenten C, H, N und O sowie aus dem verdampften Wasser zusammensetzt, festgelegt werden. Damit ist weiters zu jedem Zeitpunkt des Batch-Betriebs eine Massenbilanz bzw. eine Berechnung der freigesetzten Rauchgasmenge und Rauchgaszusammensetzung möglich.

Um bei der Festlegung der quasi-stationären Betriebsfälle möglichst keine Verfälschung der CFD-Simulationen durch die Speicherwirkung des Ofens zu erhalten (instationärer Term), ist es notwendig, basierend auf Testlaufdaten auch den zeitlichen Verlauf der über die Oberfläche des Ofens abgeführten Nutzwärmeleistung zu ermitteln. Damit kann zusätzlich eine Energiebilanz für jeden Betriebszeitpunkt durchgeführt werden, um in weiterer Folge zwei quasistationäre Betriebsfälle, an denen die Speicherwirkung des Ofens näherungsweise Null ist, festzulegen.
Mittels des eigenentwickelten CFD-Modells für Kaminöfen können folgende Prozesse analysiert werden:

  • Strömung der Verbrennungsluft und des Rauchgases im Ofen und der Konvektionsluft im Konvektionsluftmantel des Ofens
  • Gasphasenverbrennung im Ofen
  • Wärmetransport (Leitung, Konvektion und Strahlung) zwischen Gasphase, Ofenmaterialien (Feuerfestauskleidung, Bleche und Glasscheiben) und Umgebung

Dies ermöglicht eine Analyse von:

  • Geschwindigkeiten und Temperaturen von Verbrennungsluft, Konvektionsluft und Rauchgas
  • Stromlinien von Luft und Rauchgas
  • O2- und CO-Konzentrationen im Rauchgas
  • Material- und Oberflächentemperaturen der Feuerfestauskleidung, der Blechplatten und der Glasscheiben (siehe Abbildung unten)
  • Wärmetransport und Wirkungsgrad
  • Druckverlustberechnungen
Temperaturprofile an der äußeren Oberfläche [°C] eines Kaminofens; 3D-Ansicht des Ofens von vorne (links) und hinten (rechts)

In nachfolgender Abbildung ist beispielhaft die CFD-gestützte Entwicklung eines neuen Kaminofens anhand der CO-Profile im Feuerraum dargestellt. Die CO-Emissionen waren bei der Basisvariante aufgrund des nicht gedämmten Übergangsbereiches und aufgrund eines Bypassstroms in der Umlenkplatte relativ hoch. Bei der voroptimierten Variante (vor Realisierung als Versuchsanlage) konnten bereits erste Verbesserungen erzielt werden, indem der Bypass in der Umlenkplatte geschlossen und der gesamte Umlenkbereich gedämmt wurde. Dadurch wurde die Temperatur und die Verweilzeit im Umlenkbereich erhöht und der CO-Ausbrand deutlich verbessert. Eine weitere Verbesserung des CO-Ausbrands wurde bei der optimierten Variante, welche auch als Versuchsanlage realisiert wurde, erreicht. Hier wurden Tertiärluftdüsen im hinteren Bereich der Brennkammer installiert, durch die zusätzlicher Sauerstoff eingebracht wird, wodurch der CO-Ausbrand bereits in der Brennkammer selbst effizienter abläuft. Dadurch konnte zusätzlich der Luftüberschuss abgesenkt werden, was in einem höheren Wirkungsgrad resultierte. Weiters gelten die CO-Emissionen als wichtiger Leitparameter für die Ausbrandqualität des Rauchgases und können deswegen auch als wichtiger Indikator bezüglich organischem Feinstaub herangezogen werden. Neben den deutlich reduzierten CO-Emissionen konnte somit auch eine Minimierung der Feinstaubbildung im Feuerraum bzw. der org. Feinstaubkonzentrationen erzielt werden.

Isoflächen der CO-Konzentrationen [ppmv] im Rauchgas in der vertikalen Symmetrieebene eines Kaminofens

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Optimierte Konzeption von Scheitholzfeuerungen

Das für Biomasse-Rostfeuerungen entwickelte Basis-Abbrandmodell welches die Freisetzung der Rauchgaskomponenten beim Abbrand am Rost beschreibt, um Randbedingungen für die CFD-Simulation der turbulenten reaktiven Strömung im Feuerraum zu erhalten, wurde speziell für die Scheitholzverbrennung in Kaminöfen und Scheitholzfeuerungen, welche im diskontinuierlichen Batch-Betrieb befeuerten werden, angepasst (weiterführende Erläuterungen siehe Abschnitt „Optimierte Konzeption von Kaminöfen“). Damit werden wieder quasi-stationäre Betriebsfälle bilanziert, womit zu jedem Zeitpunkt eines Batch-Betriebs CFD-Simulationen von Strömung, Gasphasenverbrennung und Wärmetransport in der Scheitholzfeuerung durchgeführt werden können.

Die CFD-Simulationen ermöglichen eine Analyse von:

  • Qualität der Durchströmung der Primärverbrennungszone (Scheitholz-Füllraum) mit Primärluft
  • Ausnutzung der Sekundärverbrennungszone, Durchmischung des Rauchgases mit Sekundärluft, CO-Ausbrand
  • Geschwindigkeits- und Temperaturspitzen zur bestmöglichen Vermeidung von Materialerosion und Aschedepositionen
  • Wärmetransport in Primär- und Sekundärverbrennungszone der Feuerung sowie im Kessel als Basis für Wirkungsgradoptimierungen
  • Druckverluste in verschiedenen Anlagenzonen

In nachfolgender Abbildung sind exemplarische Ergebnisse der CFD-Analyse einer Scheitholzfeuerung dargestellt. Die linke Abbildung zeigt Stromlinien der aus den Düsen austretenden Primärluft, welche mit der Gastemperatur eingefärbt sind. Damit soll die Güte der Durchströmung bzw. die Durchdringung des Füllraumes untersucht und optimiert werden, um einen möglichst guten und gleichmäßigen Abbrand der Holzscheite zu erzielen und um Brückenbildung zu vermeiden. Die rechten Abbildungen zeigen berechnete CO-Konzentrationen in verschiedenen Schnittebenen durch die Sekundärverbrennungszone, welche dazu dienen die Durchmischung des Rauchgases mit Sekundärluft und die Ausnutzung der Sekundärverbrennungszone zu analysieren und zu optimieren.

Stromlinien der Primärluft in der Primärverbrennungszone, eingefärbt nach der Gastemperatur [°C] (links) sowie CO-Konzentrationen [ppmv] in einem horizontalen Schnitt (rechts oben) und in einem vertikalen Schnitt (rechts unten) durch die Sekundärverbrennungszone

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Simulation von Staubfeuerungen / Flugstromreaktoren

Um ein CFD-gestütztes Design von Biomasse-Staubfeuerungen und Biomasse-Flugstromvergasern zu ermöglichen, wurden Modelle für die Verbrennung thermisch dünner und thermisch dicker Biomassepartikel in die Simulationsroutinen implementiert. Die Modelle für thermisch dicke Partikel berücksichtigen den Stoff- und Wärmetransport im Partikelinneren, womit im Vergleich zu herkömmlichen CFD-Partikelmodellen eine genauere Berechnung der Partikeltemperatur sowie des Partikelabbrandes ermöglicht wird. Das Abbrandmodell für Einzelpartikel im Flug wurde mittels vermessenen Staubflammen und in einer ersten Anwendung auch bereits zur Simulation einer Staubfeuerung (Einblasfeuerung) erfolgreich getestet. Mit dem Staubfeuerungsmodell steht nun ein Modell zur Verfügung, das es ermöglicht, die Partikelverbrennung im Flug qualitativ zu beschreiben.

In nachfolgender Abbildung sind exemplarisch die berechneten CO-Konzentrationen in der vertikalen Symmetrieebene des Basiskonzepts einer Einblasfeuerung (links) im Vergleich zu den Ergebnissen für die optimierte Variante der Einblasfeuerung  dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine Modifikation des Designs der Sekundärluftdüsen und der Rauchgas-Rezirkulationsdüsen sowie der Betriebsbedingungen eine beträchtliche Verbesserung des CO-Ausbrands in der Feuerung erzielt werden konnte.

CO-Konzentrationen [ppmv] in der vertikalen Symmetrieebene einer Holzstaubfeuerung

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Untersuchung von Feuerraumkühlungen

Wie bereits erwähnt, sind moderate und gut kontrollierte Rauchgastemperaturen in der Feuerung wichtig, um Verschlackung und Bildung von Ablagerungen zu vermeiden. Speziell für trockene Brennstoffe (Altholz) sowie Biomasse-Brennstoffe mit einem hohen Gehalt an Alkalimetallen (Stroh) sind zusätzliche Maßnahmen wie gekühlte Wände oder Rohre empfehlenswert.

In untenstehender Abbildung ist beispielhaft die Temperaturverteilung in einer Biomasse-Rostfeuerung für die Altholzverbrennung mit den überlagerten Stromlinien des durch die untere Düsendüsenebene zugeführten rezirkulierten Rauchgases, welche hohe Turbulenz verbunden mit erhöhten Rauchgastemperaturen indizieren, dargestellt. In diesen Regionen sollten gekühlte Wände vorgesehen werden, um insbesondere im Bereich der Rauchgas-Rezirkulationsdüsen und Sekundärluftdüsen auftretende Temperaturspitzen abzusenken und Verschlackung hintan zu halten. 

Temperaturprofile [°C] in verschiedenen horizontalen Querschnitten im Bereich der Einblasung von rezirkuliertem Rauchgas und Sekundärluft; der Abschnitt der Feuerungswände im Bereich zwischen und um die Düsen ist gekühlt- Erläuterungen: SL…Sekundärluftdüsen; REZI...Rauchgas-Rezirkulationsdüsen

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CFD-Simulation von Kesseln einschließlich der konvektiven Wärmetauscherbündel

Auch bei der Auslegung von Kesseln, welche den Biomassefeuerungen nachgeschaltet werden, stellt die CFD-Simulation ein wichtiges Werkzeug dar. Durch eine strömungstechnische Optimierung kann eine gute Ausnutzung des Kesselvolumens erzielt werden, verbunden mit einem effizienten Wärmetransport sowie einer möglichst gleichmäßigen Temperatur- und Strömungsverteilung, um Depositionsbildungen möglichst gering zu halten.
Im Bewusstsein dieses Potentials wurde von der BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH im Rahmen eines F&E-Projektes ein CFD-Modell für Rohrbündelwärmetauscher entwickelt, um so die Rauchgasströmung auch um die Rohrbündel der konvektiven Wärmetauscherflächen mittels CFD-Analyse zu untersuchen und zu optimieren. Eine detaillierte Simulation von konvektiven Wärmetauschern wäre in den meisten Fällen unmöglich, da die Anzahl der zur Abbildung der Geometrie nötigen Berechnungszellen die Rechnerkapazität sprengen würde.

Die erarbeiteten Modelle ermöglichen die CFD-Simulation der Rauchgasströmung einschließlich des Druckverlustes und des rauchgasseitigen Wärmetransports in den konvektiven Wärmetauscherflächen. Als weitere besonders wichtige Information wird die Größe der rauchgasseitigen Temperaturspitzen an den Wärmetauscherrohren berechnet, die für das Risiko der Bildung fester Depositionen ausschlaggebend ist. In diesem Zusammenhang werden auch die speziellen Verhältnisse an den bezüglich Wärmestrahlung besonders exponierten Wärmetauscherrohren durch eine separate Behandlung berücksichtigt.

Besonders in inhomogenen Strömungsfeldern (beispielsweise in Rohrbündeln, die nach starken Umlenkungen angeordnet sind), bietet die CFD-Simulation damit wesentlich genauere Informationen als die übliche eindimensionale Betrachtung der Strömung mittels herkömmlicher Auslegeverfahren. Für die Optimierung von mit Biomasse gefeuerten Kesseln ergeben sich daraus folgende Vorteile:

  • Geometrische Optimierung der Zuströmung bzw. der Durchströmung der Rohrbündelwärmetauscher
  • Entscheidungsgrundlage für die Vorschaltung von Verdampferrohren vor die Überhitzer
  • Identifikation gefährdeter Bereiche bezüglich fester Aschedepositionen
  • Verbesserung der Funktionstüchtigkeit der Abreinigungsanlagen durch richtige Positionierung der Rußbläser
  • Optimierung der Dampfparameter zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades

Diese über den derzeitigen Stand kommerzieller CFD-Software hinausgehenden CFD-Modelle sind im Moment für die relevantesten Kesseltypen (Wasserrohr-/Dampfkessel-, Thermoölkessel und Rauchrohrkessel) verfügbar. Im Bedarfsfall ist das Modell auch in der Lage, Primär- und Sekundärwärmeträgerseite des Wärmetauschers zu berechnen. So können beispielsweise für einen Rauchrohrkessel Wärmeübergang und Strömung rauchgas- sowie auch wasserseitig optimiert werden. Im Folgenden werden exemplarisch Simulationsergebnisse für Biomasse-Kessel dargestellt.

(a) Rauchgastemperatur [K] und (b) maximale Temperaturen [K] an den rauchgasseitigen Oberflächen der mit Fouling belegten Wärmetauscherrohrbündel im konvektiven Teil eines mit Biomasse befeuerten Dampfkessels

Die obige Abbildung zeigt Beispiele der CFD-Simulationsergebnisse an einer realen Anlage, die für die Validierung der in der BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH entwickelten Modelle herangezogen wurde. Die ungleichförmige Zuströmung hat vor allem im Verdampferbündel stark unterschiedliche Werte für die maximale Rohroberflächentemperatur zur Folge. Umlenkungen des Rauchgasstromes vor Rohrbündelwärmetauschern können mit Hilfe der CFD-Simulation so gestaltet werden, dass ungleichmäßige Anströmungen von Rohrbündelwärmetauschern bestmöglich vermieden werden und Temperaturspitzen möglichst niedrig gehalten werden.

Temperaturprofile [°C] in verschiedenen horizontalen Querschnitten des Strahlungsteiles eines Thermoölkessel
Profile der rauchgasseitigen Wandtemperatur [°C] der Strahlungsheizflächen eines Thermoölkessels bei verschiedenen Stadien des Foulings, von reinen Wänden (linke Abbildung) bis zu Wänden, die mit einer beträchtlichen Schicht von Flugascheablagerungen bedeckt sind (rechte Abbildung)

In den obigen beiden Abbildungen sind die Simulationsergebnisse hinsichtlich der Temperaturprofile im Strahlungsteil eines Thermoölkessels dargestellt. Zusätzlich sind Ergebnisse einer Untersuchung des effektiven Wärmetransportes im Strahlungsteil des Kessels unter realen Betriebsbedingungen dargestellt. Die erhöhten Wandtemperaturen aufgrund einer Depositionsschicht führen zu einer dramatischen Verschlechterung des Wärmetransportes im Kessel. Dies sollte bei der Kesseldimensionierung berücksichtigt werden bzw. durch eine geeignete Gestaltung des Kessels sowie durch automatische Abreinigungseinrichtungen verhindert werden.

Isometrische Darstellung des Rechennetzes (oben) und Darstellung der Rauchgastemperaturen [C°] in der Symmetrieebene eines Heißwasser-Rauchrohrkessels (unten); a) Simulation des Konvektionsteils mittels CFD-Wärmetauschermodell; b) detaillierte CFD-Simulation des Konvektionsteils

Die obige Abbildung zeigt Ergebnisse einer Validierungsstudie des entwickelten CFD-Modells für Rauchrohrkessel. Bei dieser Studie wurde ein Vergleich einer detaillierten Simulation als Referenz mit einer Simulation mittels CFD-Wärmetauschermodell durchgeführt, wobei bei der detaillierten Simulation die Geometrie der Rauchrohre (konvektiver Teil des Kessels) im Detail aufgelöst wurde (ist nur bei sehr kleinen Kesseln möglich) und bei der Simulation mittels Rauchrohrmodell die Rauchrohre mittels des entwickelten CFD-Modells abgebildet wurden (siehe Darstellung der Rechennetze). Der Vergleich zeigte eine sehr gute Übereinstimmung der Berechnungsergebnisse mit beiden Methoden (der genaueren, detaillierten Referenzsimulation und der Simulation mittels schnelleren CFD-Wärmetauschermodells), hier beispielhaft dargestellt anhand der Rauchgastemperatur. Zusätzlich wurde ein Vergleich mit Messergebnissen hinsichtlich der Druckverluste in den einzelnen Kesselzonen und der an das Wasser im gesamten Kessel übertragenen Wärmemenge durchgeführt. Auch hier gab es eine gute Übereinstimmung von Messung und Simulation. Das CFD-Wärmetauschermodell steht somit auch als Auslegewerkzeug für Rauchrohrkessel zur Verfügung.

Weitere Infos unter:

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Simulation der Depositionsbildung und Feinstaubbildung in Biomassefeuerungen und -kesseln

Besonders wichtig ist es, die Bildung fester Aschedepositionen in Biomasse-Feuerungen und -Kesseln bestmöglich zu vermeiden. Weiters kommt der Reduktion von Feinstaubemissionen aufgrund zunehmend strengerer Emissionsgrenzwerte und der steigenden Marktnachfrage nach neuen, aschereichereichen Brennstoffen wie Kurzumtriebsholz und landwirtschaftlichen Reststoffen steigende Bedeutung zu. Um dieser Problemstellung Rechnung zu tragen, werden in einem laufenden F&E Projekt Depositions- und Feinstaubbildungsmodelle  entwickelt. Mit dem derzeitigen Entwicklungsstand des Modells kann das zeitabhängige Depositionswachstum an den Wänden der Feuerung und des Strahlungsteils des Kessels vorhergesagt werden. Dabei wird einerseits die Ablagerung von groben Flugaschepartikeln (Silikatpartikel und Salzpartikel) und andererseits die Kondensation von aschebildenden Dämpfen an den Feuerungs- und Kesselwänden betrachtet. Weiters kann die Bildung von Feinstaub (Basismodell) und deren Ablagerung an Feuerungs- und Kesselwänden untersucht werden. Ebenso kann die Erosion der gebildeten Depositionsschicht durch Flugaschepartikel betrachtet werden. Dieses Modell zeichnet sich durch seine große Flexibilität hinsichtlich des eingesetzten Brennstoffes bei einem hohen Detailliertheitsgrad bezüglich der Aschechemie und der betrachteten Prozesse aus.

Berechnete Depositionsschichtdicke [mm] an den Wänden einer Biomasse-Rostfeuerung und des nach geschalteten Flammrohrs (Strahlungsteil des Kessels) nach einer Betriebszeit von 1 h; Brennstoff: Altholz
Berechneter Depositionsmassenfluss [kg/s] der groben Flugaschepartikel an den Wänden einer Biomasse-Rostfeuerung und des nach geschalteten Flammrohrs (Strahlungsteil des Kessels) nach einer Betriebszeit von 1 h; Brennstoff Altholz
Berechneter Kondensationsmassenfluss [kg/s] von K2SO4 an den Wänden einer Biomasse-Rostfeuerung und des nach geschalteten Flammrohrs (Strahlungsteil des Kessels) nach einer Betriebszeit von 1 h; Brennstoff Altholz

Die obigen Abbildungen stellen beispielhaft den berechneten Depositionsaufbau für eine Biomasse-Rostfeuerung inklusive des Strahlungsteil des nachgeschalteten Kessels (Flammrohr) für den Brennstoff Altholz dar. Als besonderer Vorteil dieses Modells können die einzelnen Effekte der Depositionsbildung (z.B. durch die Ablagerung grober Flugaschepartikel sowie durch die Kondensation aschebildender Dämpfe unterschiedlicher Aschebildner (z.B. K2SO4) getrennt dargestellt werden. Die Berechnungsergebnisse stimmen qualitativ mit Beobachtungen für die betrachtete Biomasse-Rostfeuerung sowie für weitere Biomasse-befeuerte Kessel überein.

Feinstaubkonzentrationen [mg/Nm³ tr, 13Vol.% O2) (links) und chemische Zusammensetzung der Partikel (rechts)
Erläuterungen: 70 kW Pelletkessel; PVZ…Primärverbrennungszone; SVZ….Sekundärverbrennungszone; 1…Bildung von ersten Feinstaubpartikeln; 2…Feinstaubpartikelbildung dominiert ab dem Eingang in den Wärmetauscher

In obiger Abbildung sind exemplarisch die Simulationsergebnisse für einen 70 kW Pelletkessel gezeigt. Während in der Primärverbrennungszone die Temperaturen zu hoch für eine direkte Kondensation der Aschedämpfe an den Wänden bzw. für eine Feinstaubbildung sind, zeigt die Simulation die Bildung erster Feinstaubpartikel am Austritt aus der Primärverbrennungszone. Gleichzeitig zur Feinstaubpartikelbildung erfolgt die Kondensation der Aschedämpfe an den wassergekühlten Wänden, wobei der höchste Depositionsmassenfluss an der gegenüberliegenden Seite der Sekundärverbrennungszone aufgrund der besonders hohen Konzentrationsgradienten und Stofftransportkoeffizienten berechnet wurde. Im Wärmetauscher nimmt die Kondensation der Aschedämpfe stark ab und die Feinstaubpartikelbildung dominiert. Zum Zweck der Modellprüfung wurden die Simulationsergebnisse mit Messungen verglichen, wobei sich zeigte, dass die vorhergesagten Feinstaubemissionen in guter Übereinstimmung mit den Messwerten sind (Simulation: 9,92 mg/Nm³; Messung: 7,65 mg/Nm³) und weiters, dass die berechnete elementare Zusammensetzung der Feinstaubpartikel in guter Übereinstimmung mit den chemischen Analysen ist. Die Ergebnisse einer Reihe von Validierungssimulationen zeigten, dass man bereits zum derzeitigen Entwicklungsstand in der Lage ist, die Bildung und die Emissionen der Feinstaubpartikel sogar quantitativ zufriedenstellend abzubilden. Somit kann das in Entwicklung befindliche Modell bereits jetzt als effizientes Werkzeug für die Entwicklung von neuen Low-Dust-Feuerungstechnologien eingesetzt werden, da die Feinstaubbildung in Abhängigkeit relevanter Einflussgrößen vorhergesagt werden kann und die Simulationen somit zu einem verbesserten Verständnis der relevanten Zusammenhänge führen.

Weiters steht auch ein Modell zur CFD-Simulation der Aschedepositionsvorgänge an konvektiven Wärmetauscherflächen zur Verfügung. Dadurch wird eine Berücksichtigung der Freisetzung aschebildender Dämpfe während des Abbrandes der Biomasse am Rost, der Feinstaubbildung (Berücksichtigung von Korngrößenverteilungen) und deren Einfluss auf die Depositionsbildung ermöglicht. Depositionsvorgänge sind sehr wichtig, weil besonders auf mit hohen Temperaturen beaufschlagten konvektiven Wärmetauscher-Rohrbündeln (z.B. Überhitzer) verstärkt diesbezügliche Probleme auftreten.

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CFD-Simulation der NOx-Bildung in Biomasse-Feuerungen

Die Reduktion von NOx-Emissionen ist aufgrund immer strenger behördlich vorgeschriebener Emissionsgrenzwerte von großer Relevanz. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde bereits beträchtliche F&E-Arbeit geleistet, um N-Freisetzungsfunktionen sowie ein NOx-Bildungsmodell in die CFD-Routinen von BIOS zu implementieren und damit ein effizientes Auslegungs- und Prognosewerkzeug zu entwickeln. Dieses Modell besteht aus: 

  • Erweiterung des empirischen Abbrandmodells um die wesentlichen NOx-Vorläufersubstanzen NO, NH3 und HCN
  • Eddy Dissipation Concept für die Modellierung der Interaktionen von Turbulenz und Chemie
  • Detaillierte Kinetik (Kilpinen 92) und reduzierte Kinetik (Kilpinen 97-Skeletal)
  • ISAT (In-Situ Adaptive Tabulation) Algorithmus zur Laufzeittabellierung der Reaktionskinetik (Berechnungszeitersparnis)
Simulierte Molenbrüche von NH3 (rechts) und NO (links) in der vertikalen Symmetrieebene einer Rostfeuerungs-Pilotanlage und Vergleich mit Emissionsmessungen am Kesselaustritt

Die obige Darstellung zeigt beispielhaft den Vergleich von Messung und Simulation unter Verwendung des detaillierten Mechanismus für die untersuchte Biomasse-Rostfeuerung mit Luftstufung (Brennstoff Spanplatten) hinsichtlich NO (Haupt-NOx-Komponente in Biomassefeuerungen) und NH3 (normalerweise wichtigste NOx-Vorläuferverbindung in Biomassefeuerungen). Es zeigte sich für zwei verschiedene Betriebsfälle (unterstöchiometrische und überstöchiometrische Bedingungen in der Primärverbrennungszone) eine sehr gute qualitative und quantitative Übereinstimmung von Messung und Simulation hinsichtlich NOx sowie der Vorläufersubstanzen NH3 und HCN. Um Berechnungszeiten zu sparen, wurde weiters ein reduzierter Mechanismus eingesetzt und für Laborflammen sowie verschiedene Biomassefestbett-Feuerungen unterschiedlicher Leistungen validiert.

Isoflächen der NOx-Konzentrationen [ppmv] (links) und der lokalen TFN/TFNein-ges - Verhältnisse [-] (rechts) im vertikalen Schnitt durch die Brennerachse für eine 100 kW Multifuel-Feuerung (Hackgut und Pellets) bei Nennlast.

Erläuterungen: TFN... Summe aller in NO, NH3, NO2, HCN und N2O enthaltenen N-Mole; TFN/TFNein-ges…TFN im Rauchgas im Verhältnis zum aus dem Brennstoffbett freigesetzten und mit dem rezirkulierten Rauchgas aufgegebenen TFNein-ges; TFNaus-ges/TFNein-ges…gesamter Umwandlungsgrad des aus dem Brennstoffbett freigesetzten und des mit dem rezirkulierten Rauchgas aufgegebenen TFNein-ges in der Gasphase; PVZ...Primärverbrennungszone; SVZ...Sekundärverbrennungszone

 

In obenstehender Abbildung sind beispielhaft die Simulationsergebnisse für eine 100 kW-Multifuel-Feuerung gezeigt. Dabei zeigte sich, dass eine nennenswerte NOx-Bildung und NOx-Reduktion nur in der Primärverbrennungszone und im Bereich der Sekundärlufteindüsung auftritt. Anhand des TFN/TFNein-ges- Verhältnisses können die Zonen der NOx-Reduktion (je kleiner das Verhältnis, desto mehr NOx-Vorläufer (HCN, NH3 bzw. NOx) werden zu N2 reduziert) identifiziert werden. Konkret sieht man, dass sich im äußeren sauerstoffreichen Bereich der PVZ NOx bildet und im inneren, sauerstoffarmen Bereich eine Reduktion der NOx-Emissionen erfolgt.
Für alle Anwendungsfälle zeigte sich bei stark reduzierter Berechnungszeit eine gute qualitative bzw. auch quantitative Übereinstimmung mit gemessenen NOx-Emissionen. Das NOx-Bildungsmodell kann somit bereits für Simulationsrechnungen zur Durchführung von Sensitivitätsanalysen bezüglich des Einflusses von Feuerraumgeometrie und Luftstufung bzw. Anlagenbetrieb auf die NOx-Bildung eingesetzt werden.

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Simulation von Zyklonen, Partikelabscheidern und Filtern

BIOS führt neben der Simulation von Feuerungen und Vergasern u.a. eine CFD-gestützte Konzeption und Optimierung von Zyklonen, Partikelabscheidern und Filtern durch. Dabei werden unter anderem Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen, Partikelabscheideraten, Partikeltrennkorndurchmesser sowie Partikelaufprall- und Erosionsraten an den Anlagenwänden berechnet.
In nachfolgender Abbildung sind beispielhafte Simulationsergebnisse für den Zyklon einer zirkulierenden Wirbelschicht dargestellt. Der Vergleich von Simulationsergebnissen mit Beobachtungen an der Anlage (Foto) zeigt eine gute qualitative Übereinstimmung der berechneten Zonen mit starken Erosionsraten mit den Bereichen, an denen in der Realität starke Erosionserscheinungen auftreten.

Beobachtete Erosionsraten im Zyklon einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung (links) im qualitativen Vergleich mit simulierten Erosionsraten (rechts)

Aktuelle Weiterentwicklungen / zukünftige Ziele der CFD-Simulation

Gasphasen-Verbrennung

In zukünftigen Arbeiten sollen Modelle für die Gassträhnenbildung aufgrund von Tunnelbildung in Brennstoffbetten entwickelt werden und weiters die eingesetzten Gasphasen-Verbrennungsmodelle an die niedrigturbulenten Bereiche in Biomasse-Rostfeuerungen (speziell für kleinere Leistungsgrößen relevant) angepasst werden, um die Vorhersagegenauigkeit der Gasphasen-Verbrennungsmodelle zu verbessern.

Korrosion in Biomasse-befeuerten Kesseln

In Biomassefeuerungen und Kesseln spielen Korrosionsvorgänge nicht nur bei der Verbrennung von Brennstoffen mit hohem Chlor- und Alkaligehalt (wie z.B. für Altholz, landwirtschaftliche und halmgutartige Brennstoffe) eine besondere Rolle, sondern sind auch für Holz (Hackschnitzel, Rinde) in Hinblick auf erhöhte Dampfparameter bzw. höhere Wirkungsgrade in neuen Biomasse-KWK-Anlagen relevant. Aus diesem Grund wurden im Rahmen eines großen FFG Projektes (BioCorrSim) Basismodelle zur Vorhersage des lokalen Korrosionspotentials in Biomassefeuerungsanlagen entwickelt. Ein Modell basierte auf einem einfachen, empirischen Ansatz und beschrieb die Korrosion in Abhängigkeit relevanter Einflussgrößen wie dem molaren 2S/Cl-Verhältnis sowie der Rauchgas- und Oberflächentemperatur. Ein zweiter, mathematisch anspruchsvollerer CFD-basierter Ansatz berücksichtigte die für Hochtemperaturkorrosionsprozesse wichtigsten Transportprozesse und chemische Reaktionen zwischen der Metalloberfläche, der umgebenen Depositionsschicht und der Gasphase. Die beiden Basismodelle zur Abschätzung der Korrosionswahrscheinlichkeit wurden an den CFD-Code zur Beschreibung der Depositions- und Feinstaubbildung gekoppelt, welcher die lokalen Parameter wie die Rauchgastemperatur  und die Konzentrationen der Aschedämpfe im Rauchgas als Eingangsgrößen lieferte. Damit wurde die dreidimensionale Simulation des lokalen Korrosionspotentials in der Anlage in Abhängigkeit relevanter Einflussgrößen wie Brennstoff und Feuerraumtemperatur ermöglicht.

Abbrand von Biomasse in Festbetten

Während CFD-Simulationen bereits mit Erfolg zur Simulation von Strömung und Gasphasenverbrennung in Biomasse-Rostfeuerungen eingesetzt werden, ist bisweilen noch kein Modell als Entwicklungswerkzeug verfügbar, das die 3D-Simulation des Abbrands der festen Biomasse am Rost beschreibt. Aus diesem Grund wurden im Rahmen von mehreren Forschungsprojekten Modelle für den Abbrand der festen Biomasse am Rost entwickelt und in die CFD-Simulationsroutinen für die Berechnung der Gasphase eingebunden. Das bereits entwickelte Basismodell für den Abbrand am Rost basiert auf einem 2-Schritt Ansatz, wobei zuerst die Bewegung der Partikel in der Schüttung mit einer nicht reagierenden Strömung berechnet wird, und darauf aufgesetzt der Abbrand der Partikel entlang der zuvor berechnet Partikelbahnen. Der Abbrand wird mit einem Schalenmodell für thermisch dicke Partikel mit Temperaturgradienten simuliert. Damit wird erstmals eine 3D-Simulation der Prozesse beim Abbrand der Biomasse am Rost in Abhängigkeit relevanter Einflussparameter ermöglicht.

Isoflächen der Rauchgastemperaturen in der Achse der Feuerung [K] (links); Partikelbahnen eingefärbt nach der Partikeltemperatur [°C] – Draufsicht (Mitte); Foto des Brennstoffbetts von einem Sichtfenster im Deckel der Feuerung aufgenommen (rechts)
Erläuterungen: 20kW-Unterschubfeuerung (Pelletfeuerung)

In obenstehender Abbildung sind beispielhaft die Simulationsergebnisse (Rauchgastemperaturen in der Feuerung und Partikeltemperaturen) für eine 20 kW-Pelletfeuerung sowie ein Foto von oben auf das Brennstoffbett zum qualitativen Vergleich mit den Simulationsergebnissen dargestellt. Die berechnen maximalen Partikeltemperaturen, die bei 1.100 – 1.150 °C liegen, sind in guter qualitativer Übereinstimmung mit Messungen an einem Festbettlaborreaktor. Ebenso ist der berechnete Kohlenstoffgehalt in der Asche in qualitativer Übereinstimmung mit Erfahrungswerten aus Testläufen mit verschiedenen Pelletfeuerungen.

Als nächster Schritt wird ein Modell auf Basis der Diskreten Elemente Methode, das eine genauere Beschreibung der Bewegung und der Wärmeleitung in der Schüttung zusammen mit dem damit gekoppelten Partikelabbrand ermöglicht, in die Simulationsroutinen implementiert. Weiters wird an der Einbindung von Freisetzungsmodellen für Stickoxid- und Aschebildner in das Abbrandmodell gearbeitet, um auch den Einfluss des Abbrands am Rost bzw. der Freisetzung der Flüchtigen auf die NOx-Bildung sowie die Aschedepositions- und Feinstaubbildung in der Anlage berechnen zu können.

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Ausgewählte Referenzen - Anlagenentwicklung

Kleine und mittlere Anlagen:

Weiters hat BIOS für seinen Beitrag „CFD ANALYSIS OF AIR STAGING AND FLUE GAS RECIRCULATION IN BIOMASS GRATE FURNACES” den Poster-Preis für die beste wissenschaftliche Arbeit der Gruppe „Biomass Production and Utilisation R&D - Combustion” bei der „1st World Conference and Exhibition on Biomass for Energy and Industry” im Juni 2000 in Sevilla, Spanien, erhalten.

Weitere Referenzen zur CFD-gestützten Anlagenentwicklung finden sie unter:
http://www.bios-bioenergy.at/de/referenzen.html