BIOS - Bioenergy
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CFD-gestützte Modellierung / Berechnung von Pelletsfeuerungsanlagen

Die Entwicklung von Biomasse-Feuerungen, insbesondere im kleineren Leistungsbereich, erfolgt oftmals basierend auf empirischen Erfahrungswerten mit langen Entwicklungszeiten und erheblichem Testaufwand. Durch CFD-Simulation ist es möglich, Entwicklungszeiten und Testaufwand zu reduzieren und weiters eine erhöhte Sicherheit bei der Anlagenentwicklung zu gewährleisten (CFD).
Trotz der Komplexität der Verbrennung fester Biomasse in einem Festbett einerseits und der turbulenten, brennbaren Strömung im verwinkelten Feuerraum andererseits hat BIOS in den letzten Jahren die Brennkammern mehrerer Biomasse-Feuerungsanlagen erfolgreich mittels CFD-Simulation (CFD – Computational Fluid Dynamics) entwickelt und optimiert. Dabei wurden sowohl große Biomasse-Feuerungen und Kessel mit Kesselnennleistungen von 10 bis 30 MWth für Industriekunden, mittlere Anlagengrößen mit Kesselnennleistungen von 0,3 bis 10 MWth und Kleinfeuerungsanlagen mit Kesselnennleistungen unter 300 kWth entwickelt und optimiert. Darunter befanden sich auch mehrere Pelletsfeuerungstechnologien.

Isoflächen der Rauchgasgeschwindigkeiten [m/s] in einer vertikalen Schnittfläche durch eine Pelletskleinfeuerungsanlage (links: Basisvariante; rechts: optimierte Variante)

Die Ziele einer Pelletsfeuerungsentwicklung mittels CFD-Simulation lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Erreichen einer effizienten Luftstufung als Grundlage für eine gestufte Verbrennung zur Reduktion der NOx-Emissionen.
  • Gewährleistung einer möglichst optimalen Durchmischung von unverbranntem Rauchgas mit Sekundärluft und somit das Erreichen eines vollständigen Ausbrandes (niedrige CO-Emissionen) im Nenn- und Teillastbetrieb.
  • Bestmögliche Ausnutzung der Feuerungs- und Kesselgeometrie (Vermeidung von Totzonen) zur Reduktion der erforderlichen Volumina.
  • Reduktion von lokalen Geschwindigkeits- und Temperaturspitzen, um Materialerosion und Depositionsbildungen möglichst gering zu halten.
  • Beurteilung von Sensitivitäten wie z.B. Lasteinfluss, Wassergehaltseinfluss oder Änderung der Luftstufung auf die Verbrennung als wichtige Grundlage für die Optimierung der Regelung.

Mit Hilfe der CFD-Simulation von Pelletsfeuerungen können folgende Aktivitäten durchgeführt werden:

  • Gestaltung und Optimierung von Feuerungs- und Kesselgeometrien.
  • Gestaltung und Optimierung von Reinigungsanlagen für Kessel.
  • Gestaltung und Optimierung der Düsen für die Einblasung von Sekundärluft.
  • Effiziente Reduktion von CO und NOx-Emissionen im Nenn- und Teillastbetrieb.
  • Untersuchung und Optimierung der Betriebsbedingungen von Feuerungen und Kesseln hinsichtlich Effizienz, Anlagenverfügbarkeit, Teillastfähigkeit und Multi-Brennstoff-Einsatz.
  • Reduktion lokaler Temperaturspitzen durch Feuerraumkühlung und Optimierung der Betriebsbedingungen.
  • Vorhersage und Reduktion von erosions- und verschlackungsgefährdeten Zonen aufgrund von Flugascheemissionen.
  • Berechnung von Verweilzeiten und Rauchgastemperaturen als wichtige Grundlage für die Modellierung der Feinstaub- und Depositionsbildung.

Die Pelletsfeuerungsentwicklung mittels CFD-Simulation bringt klare Vorteile hinsichtlich verminderter Emissionen, erhöhter feuerungstechnischer Wirkungsgrade, kleinerer Anlagenbauweise, reduziertem Materialverschleiß, erhöhter Anlagenverfügbarkeit, reduzierten Entwicklungszeiten und geringerem Testaufwand sowie erhöhter Sicherheit bei der Anlagenentwicklung, die sich in der Praxis bereits vielfach bestätigt und bezahlt gemacht hat. Die Anwendung von CFD-Simulationen für die Entwicklung neuer Pelletsfeuerungstechnologien hat sich bereits erfolgreich am Markt etabliert, trägt wesentlich zu einem verbesserten Verständnis der Verbrennungsvorgänge in einer Feuerung bei und gewinnt zunehmend an Bedeutung als innovatives Entwicklungsinstrument.

CFD-gestützte Entwicklungsarbeiten wurden bereits für mehrere namhafte Pelletsfeuerungshersteller durchgeführt, darunter KWB, Viessmann, Windhager und Guntamatic.