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CFD-Simulationen

Broschüre

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:

Referenzen zur CFD-gestützten Anlagenentwicklung finden sie unter:

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

Was sind 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.

Grundlagen und Rahmenbedingungen

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 nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen stellt sicher, dass die eingesetzten Modelle auf dem neuesten Stand der wissenschaftlichen Entwicklung sind.

Ziele der Anlagenentwicklung mittels CFD-Simulation

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 Verbrennungsanlagen:

  • Effiziente Durchmischung von unverbranntem Rauchgas mit rezirkuliertem Rauchgas und gute Luftstufung ==> verbesserter CO-Ausbrand, NOx-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 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

Vorteile der Anlagenentwicklung mittels CFD-Simulation

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

Leistungen und Services der BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH

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
    • Scheitholzbefeuerte Kessel
    • Scheitholzbefeuerte Kaminöfen
    • Pelletkaminöfen
    • 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 (NOx-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
  • Simulation von Zement-Drehrohröfen
  • Wärme- und Druckverlustberechnungen von Fernwärmeleitungen
  • Zyklonsimulationen (Partikelabscheidung, Erosionstendenzen)
  • Simulation von Filtern und Partikelabscheidern
  • Raumströmungssimulation in Heizhäusern und Industriebetrieben