2007 - CFD-Simulation der Gasphasenverbrennung in stationären Wirbelschichtfeuerungsanlagen


Angesichts des stetig wachsenden Energiebedarfs unserer Gesellschaft stellt die Nutzung erneuerbarer Energieträger einen vielversprechenden Ansatz zur Reduktion der Emission treibhausaktiver Gase dar. Die Verbrennung von Biomasse (z.B. Rinde, Sägemehl, Hackschnitzel, Reststoffe der Forstwirtschaft) mit anschließender Dampferzeugung zur Stromproduktion kann einen wesentlichen Beitrag zur Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen leisten. Der verminderte Einsatz fossiler Brennstoffe senkt die Netto-Emission von CO2 und ein nachhaltiger Umgang mit vorhandenen Vorkommen kann gesichert werden. Um einen maximalen Beitrag zur Emis.sionsreduktion bei der thermischen Nutzung zu erreichen ist eine optimales Prozessdesign erforderlich.
 

Die gestufte Verbrennung ist eine bewährte Methode zur Senkung der Emission von CO und NOx. Die numerische Strömungssimulation kann den Prozess der Optimierung zeit- und kosteneffizient unterstützen. Es können Einblicke in Details des Verbrennungsvorgangs getätigt werden und so Optimierungspotenziale identifiziert werden.

In dieser Arbeit wurden stationäre Wirbelschichtfeuerungen in Zusammenarbeit mit Austrian Energy & Environment AG simulationstechnisch untersucht. Gegenstand der Analysen war die Optimierung der Sekundärluftdüsen hinsichtlich Position und Beaufschlagung, um die Emission von Schadstoffen zu minimieren.
Ausgehend von einem Basisfall wurden verschiedene Szenarien des Sekundärlufteintrags untersucht. In einer der betrachteten Geometriekonfigurationen laufen die Verbrennungsvorgänge im Freiraumbereich und in der Nachverbrennungszone voneinander entkoppelt ab.

Die Ausbildung periodischer Schwingungen der Gasströmung im ersten Zug wurde anhand instationärer Simulationen untersucht. Diese Fluktuationen können durch Antrimmen einzelner Sekundärluftdüsen stark gedämpft werden. Dadurch wird ein ein ruhiger, stationärer Strömungszustand gewährleistet mit positivem Einfluss auf den Wärmeübergang in nachfolgenden Wärmetauscherbündeln.

Für nähere Untersuchungen zur Abgaszusammensetzung wurde ein detaillierter Reaktionsmechanismus in das Simulationsmodell implementiert. Die mit diesem erweiterten Verbrennungsmodell vorhergesagten Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (als CO) liegen in guter Übereinstimmung mit Messungen an der ausgeführten Anlage.

Abbildung: Übersicht über die Brennkammer mit Wärmetauscherzügen (links) und Strömungsfeld im Verbrennungszug (rechts).

top