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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


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


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)


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


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.


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


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


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



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%



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;


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)


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


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.


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.

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