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Folie 1

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„Grundlagen und Anwendungen“

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Polysius AG, Beckum

.

Prozessoptimierung für einen Prozessoptimierung für einen Vorcalcinator Vorcalcinator der der ZementindustrieZementindustrie

AiFAiF--Projekt Nr. 13535Projekt Nr. 13535

Klaus GörnerUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil.

Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnikund Anlagentechnik LUAT

Universität Duisburg-Essen

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„Grundlagen und Anwendungen“

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.Inhalt

Vorstellung des Calcinierungsprozesses

Besonderheiten des Prozesses; Motivation

Modellierung hochbeladener reagierender Zweiphasenströmungen

- Turbulenzmodellierung

- Turbulenzmodellierung bei hoch beladener 2-Phasen-Strömung

- Einfluss der Strahlungsmodellierung

Ausblick

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.Calcinierungsprozess

Zyklonvorwärmer

Entsäuerung im Calcinator

Klinkerbrennprozess im DrehrohrRostkühler

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.Calcinierungsprozess

Haupteinsatzstoff: Kalkstein (CaCO3)

Calcinierungsprozess:

CaCO3 ⇒ CaO + CO2

∆H = 170 kJ/mol

T ≈ 800 °C

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.Calcinierungsprozess

OberluftMehl

Tertiärluft

Braunkohle

Gas (aus Drehrohr)

SBS

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.Calcinierungsprozess - Simulationsergebnisse

Ges

chw

indi

gkei

t [m

/s]

25

0

OberluftTertiär-luft

35

0

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.Calcinierungsprozess - Simulationsergebnisse

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.Turbulenzmodellierung

⇒ Wechselwirkungen zwischen den beiden Phasen nehmen stark zu

Mittlere Gasbeladung im Calcinator: β > 1 kg Feststoff / kg Gas

⇒ Standard-Modelle aus der Kraftwerkstechnik führen teilweise zu deutlichen Abweichungen

Turbulenzenergie wird nicht nur durch Wechselwirkungen der Gasphasenwirbel untereinander dissipiert, sondern zusätzlich durch die Wechselwirkung beider Phasen

Gründe

Turbulenzintensität der Gasphasenwirbel wird herabgesetzt

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.Einfluss der Partikelphase auf die Turbulenz

10 -2

10 0

10 2

10 4

geringeAuswirkungen

auf die Turbulenz

Partikelndämpfen dieTurbulenz

Partikelnerhöhen dieTurbulenz

verdünnt

Ein-Weg-Kopplung

Zwei-Wege-Kopplung

φ

St

Vier-Wege-Kopplung

dicht

Partikelrelaxationszeitφ: Volumenanteil der dispersen PhaseSt =

Kolmogorov-Zeitmass

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.Modellierung der Fluidphase

MasseImpuls

Energie

Modellierung der Reynolds-Spannungen mit k-ε-Modell

turb. kin. Energie k

Dissipationsrate ε:

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.2-Phasen-Modell

zusätzliche Quellterme für k und ε zur

Beschreibung der Turbulenzmodulation

k-Gleichung

ε-Gleichung

Standard-k-ε-Modell: Sk = 0; Sε = 0;(1-phasig)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+−×

××××−=

pe

e

p

sgsk

kS

τττ

τϕϕρ

12

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+−×

×××××−=

pe

e

p

sgsCS

τττ

τεϕϕρε

ε 12 3Hamill & Malin:

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −×××−=

×−

epkB

ekS pskτ

τ

τρ 1/2 ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −×××−=

×−

epB

eS ppτ

τε

τρεε 1/2Tu & Fletcher:

ϕs: Volumenanteil der Partikelphase, τp: Partikel-Ralaxationszeit, τe: Eddylifetime

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.2-Phasen-Modell

Modellierung der turb. Viskosität unter Berücksichtigung

der Partikelbeladung

k-Gleichung

ε-Gleichung

Standard-k-ε:

µt =cµ·ρg·k2/ε (Prandtl-Kolmogorov-Beziehung, Cµ: Modellkonstante, ρG: Gasdichte)

2-Phasen-Modell:

µt = f(cµ, ρg,k,ε, ß, Wandabstand) im Kernbereich der Strömung

ß: Gasphasenbeladung [kg/kg]

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.Definition der turbulenten kinetischen Energie

augenblicklicher Wert:

Zeitlicher Mittelwert

vvv ˆ+=

v

)(tv

Zeit t

turbulente kinetische Energie k: ( )222 ˆˆˆ21

zyx vvvk ++=

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.Partikelphase

Impulsbilanz der Einzelpartikel:: Schleppkraft an der Partikel

Instantane Gasgeschwindigkeit:

isotrope Turbulenz

beim k-ε-Modell

ζ: Normal verteilte Zufallszahl

Interaktionszeit zwischen Wirbel und Partikel: ),min( crossei tττ =

Partikel durchquert turbulente Wirbel

Wirbellebensdauer:

Verweilzeit im Wirbel:

Neuberechnung der instantanen Größen nach Ablauf der Interaktionszeit

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.Laborversuche - Versuchsaufbau

Zweck: Messung der Geschwindigkeitsverteilungen

Rohr, 5000 mm - 6000 mm Länge,30 - 160 mm Ø

Gebläse

Partikelaufgabe,Beladungen: 0,2 - 3,2 kg/kg

Partikelgrößen: 150 - 240 µm

Kreislaufzyklon(e)

Laser-Doppler-Einrichtungzur Messung der Geschwindigkeiten

& Geschwindigkeitsfluktuationen

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.Laborversuche

0

2

4

6

8

10

12

14

-0,02 -0,015 -0,01 -0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02Rohrradius [m]

Axi

alge

schw

indi

gkei

t [m

/s]

Messung

Tu & FleHam & Mal

Modell−−εk

Modell−tµ

Beladung: 1,9 kg/kg, dp ≈ 200 µm

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-0,0100 -0,0050 0,0000 0,0050 0,0100

Rohrradius [m]

Turb

. kin

. Ene

rgie

k [m

2 /s2 ]

Abschätzung

Tu & FleHam & Mal

Modell−−εk

Modell−tµ

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.Rechnungen für Calcinator-Geometrie

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.Rechnungen für Calcinator-Geometrie

Beladung: 1,9 kg/kg , dp ≈ 200 µm

0

2

4

6

8

10

12

14

16

-4 0 4Rohrradius [m]

Axi

alge

schw

indi

gkei

t [m

/s Tu & FleHam & Mal

Modell−tµ

Modell−−εk

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

-4 0 4Rohrradius [m]

turb

. kin

. Ene

rgie

k [m

2 /s2 ]

Tu & FleHam & Mal

Modell−tµ

Modell−−εk

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.Rechnungen für Calcinator-Geometrie

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.Strahlungsmodellierung

EinfallendeStrahlung (I)

AusfallendeStrahlung I+(dI/ds)ds

Gasstrahlung(aσT4 /π) ds

Strahlungseintragdurch Streuung

Absorption und StreuungsverlustI (a+σs) ds

Wegen hoher Beladung findet Strahlungsaustausch

hauptsächlich zwischen benachbarten Partikeln statt

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.Strahlungsmodellierung

Referenzfall Fall "Standard"

1500

600

Tem

pera

tur [

°C]

Diffusionsmodell Flussmodell

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.Ausblick

Präzisierung der Turbulenzmodellierung- Beurteilung weiterer 2-Phasen-k-ε-Turbulenzmodelle

- stärkere Berücksichtigung der Wandfunktionen

Präzisierung weiterer calcinatorspezifischer Teilmodelle in eine Calcinatormodellierung

- Strahlungsaustausch-Modellierung

Ziel:

Zuverlässige Berechnung von Calcinatoren

Optimierung von Calcinatoren