CFD-Simulationen

CFD (Computational Fluid Dynamics = numerische Strömungsmechanik) ist die räumlich (und auch zeitlich) aufgelöste Simulation von Strömungs- und Wärmeleitungsprozessen. Hierbei können die Strömungsprozesse laminar oder turbulent sein, von chemischen Reaktionen begleitet auftreten oder es kann sich um ein mehrphasiges System handeln. CFD-Simulationen eignen sich somit hervorragend als Design- und Optimierungswerkzeug.

CFD-Simulationen werden in vielen Gebieten zur Lösung von Strömungsproblemen eingesetzt, zum Beispiel in der Automobil- und Flugzeugindustrie, in der biomedizinischen Industrie, für die Kühlung von elektronischen Geräten, in der Verfahrenstechnik, im Turbomaschinenbau, für Verbrennungsprozesse, in der Wärme- und Stromerzeugung sowie für Wärme- bzw. Kältetransportleitungen. Im Bereich der Energietechnik wird CFD z.B. für die Optimierung von Gas- und Ölbrennern sowie Kohlestaubfeuerungen genutzt.
Die CFD-Modellierung von Biomasse-Verbrennungs- und -vergasungsanlagen ist aufgrund der Komplexität des Abbrands fester Biomasse sowie der turbulenten, reaktiven Strömung in der Brennkammer/im Vergasungsreaktor 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 und Kesseln, sowie von Festbettvergasungsanlagen maßgeschneidert ist. Das CFD-Modell besteht aus einem eigenentwickelten empirischen Rostmodell, welches auch für Scheitholz geeignet ist, sowie aus modifizierten und im Labormaßstab validierten Submodellen der CFD-Software FLUENT für die Simulation der turbulenten, reaktiven Strömung im Verbrennungs-/Vergasungsreaktor. Die Anwendbarkeit des gesamten CFD-Modells und die Verlässlichkeit der Simulationsergebnisse wurden an Pilotanlagen und industriellen Feuerungen erfolgreich geprüft.
Die langjährige und kontinuierliche Zusammenarbeit von BIOS mit verschiedenen Forschungseinrichtungen, wie dem Institut für Prozess- und Partikeltechnik, Technische Universität Graz und dem österreichischen Biomassekompetenzzentrum Bioenergy 2020+ GmbH stellt sicher, dass die eingesetzten Modelle auf dem neuesten Stand der wissenschaftlichen Entwicklung sind.

Die CFD-gestützte Anlagenentwicklung hat eine effiziente Technologieentwicklung und Anlagenkonzeption mittels räumlich und zeitlich aufgelöster Simulation bzw. Visualisierung der in Biomasse-Feuerungs- und -vergasungsanlagen auftretenden Prozesse zum Ziel.

Folgende Zielsetzungen werden dabei im Detail verfolgt:

Für Biomasse-Verbrennungsanlagen:

• Effiziente Durchmischung von unverbranntem Rauchgas mit rezirkuliertem Rauchgas und gute Luftstufung ==> verbesserter CO-Ausbrand, NO_x-Reduktion
• Möglichst optimale Durchmischung von unverbranntem Rauchgas mit Sekundärluft ==> guter CO-Ausbrand, Reduktion des Feuerungs- und Kesselvolumens
• Bestmögliche Ausnutzung der Feuerungs- und Kesselgeometrie ==> effizienter CO-Ausbrand, Reduktion des Feuerungs- und Kesselvolumens
• Reduktion von lokalen Geschwindigkeits- und Temperaturspitzen, um Materialerosion und Feuerraumverschlackungen möglichst gering zu halten
• Beurteilung von Sensitivitäten als Basis für eine Regelungsoptimierung
• (z.B. Lasteinfluss, Wassergehaltseinfluss, Änderung der Luftstufung)

Für Biomasse-Vergasungsanlagen:

• Optimierung des Vergasungsmittels und der Reaktorgeometrie zur Erreichung einer möglichst vollständigen Vergasung und eines möglichst teerfreien Produktgases
• Optimierung der Strömung und Temperaturverteilung in Gasreinigungsanlagen
• Beurteilung und Optimierung der Verbrennung des Produktgases

Aus der CFD-gestützten Anlagenentwicklung ergeben sich folgende Vorteile

• Verminderte Emissionen
• Erhöhter Anlagenwirkungsgrad
• Kleinere Anlagenbauweise
• Erhöhte Brennstoff-Flexibilität
• Reduzierter Materialverschleiß
• Erhöhte Anlagenverfügbarkeiten und Reisezeiten
• Reduzierter Betriebsmittelverbrauch bei SNCR-Anlagen
• Reduktion von Entwicklungszeiten und Testaufwand
• Erhöhte Sicherheit bei der Anlagenentwicklung
• Besseres grundlegendes Verständnis bezüglich der Abläufe in einem Verbrennungs- oder Vergasungsreaktor

Die BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH als kompetentes und erfahrenes Ingenieurbüro im Bereich der CFD-Simulation von Biomassekonversionsanlagen bietet folgende Simulationsarbeiten als Serviceleistungen an:
CFD-gestützte Entwicklung und Optimierung von Anlagen, CFD-gestütztes Anlagenmonitoring (Durchführung von Testläufen an der Anlage und begleitende CFD-Simulation) von Biomasse-Feuerungsanlagen und Kesseln im kleinen Leistungsbereich (Pelletfeuerungen, Hackgutfeuerungen, Scheitholzfeuerungen, Kaminöfen), im mittleren Leistungsbereich und im großen Leistungsbereich

• Gestaltung und Optimierung von
  • Festbett- und Rostfeuerungen
  • Scheitholzfeuerungen / Kaminöfen
  • Staubfeuerungen
• Gestaltung und Optimierung von Kesselgeometrien (inkl. Konvektionsteil: mit aufgelöster Geometrie im kleinen Leistungsbereich und Verwendung eines Wärmetauschermodells im mittleren und großen Leistungsbereich)
• Gestaltung und Optimierung der Düsen für die Einblasung von rezirkuliertem Rauchgas
• Gestaltung und Optimierung der Sekundärluftdüsen (und gegebenenfalls Tertiärluftdüsen)
• Luftstufungsoptimierung
• Druckverlustoptimierung zur Unterstützung von Ventilatorenauslegungen
• Reduktion lokaler Temperaturspitzen durch Feuerraumkühlung und Optimierung der Betriebsbedingungen
• Vorhersage von Zonen, die bezüglich Erosion und Ascheablagerungen gefährdet sind
• Modellierung der Depositionsbildung und Feinstaubbildung in Biomasse-befeuerten Kesseln
• Berechnung des Wärmeübergangs und des Einflusses von Depositionen (Slagging und Fouling) in Biomasse-befeuerten Kesseln
• Verweilzeitberechnungen mit verschiedenen Methoden (Lagrange oder Euler) als Basis für das optimierte Design von Primärverbrennungszonen (NO_x-Reduktion durch Primärmaßnahmen) und Sekundärverbrennungszonen (Rauchgasausbrand), SNCR- und Additivinjektionssystemen
• Durchführung von Hochtemperatur-Gleichgewichtsberechnungen für die Beurteilung des Ascheschmelzverhaltens
• Reduktion von Emissionen (Kohlenmonoxid, Stickoxide, Feinstaub)
• Berechnung von Ascheabscheideraten in verschiedenen Anlagenzonen
• Untersuchung/Optimierung der Betriebsbedingungen von Feuerungen und Kesseln hinsichtlich Effizienz, Anlagenverfügbarkeit, Teillastfähigkeit und Multi-Brennstoff-Einsatz.

Weiters:

• Anwendung der Feuerungsmodelle für Müllverbrennungsanlagen
• Simulation von Biomasse-Vergasungsanlagen
• Wärme- und Druckverlustberechnungen von Fernwärmeleitungen
• Zyklonsimulationen (Partikelabscheidung, Erosionstendenzen)
• Simulation von Filtern und Partikelabscheidern
• Raumströmungssimulation in Heizhäusern und Industriebetrieben

CFD-Broschüre

CFD-BIOS-Infofolder-2009-08-25.pdf • CFD-Broschüre (3.03 MB)

Eine detaillierte Beschreibung des Tätigkeitsfelds der CFD-Simulation zur Auslegung von Biomasse-Verbrennungs- und -vergasungsanlagen finden Sie unter:
CFD-Simulation

Einen Überblick über Zielsetzungen, Einsatzgebiete und Vorteile von CFD-Simulationen von Biomassefeuerungsanlagen und aktuellen Modellentwicklungen finden Sie unter:

Paper-Scharler-CFD-Optimierung-BMF-Kesselanlagen-OEIAZ-2006-09-22.pdf • (3.72 MB)

Referenzen zur CFD-gestützten Anlagenentwicklung finden sie unter:

http://www.bios-bioenergy.at/de/referenzen.html
http://www.bios-bioenergy.at/de/referenzen/nach-arbeitsgebieten.html

Nach oben