2009 - CFD-Simulation für die Weiterentwicklung einer neuartigen Verbrennungstechnologie für biogene Reststoffe


Projektziel ist die Weiterentwicklung einer neuartigen Verbrennungstechnologie in kleinem bis mittlerem Leistungssegment unter Verwendung eines breiten Brennstoffbandes aus regional vorhandenen, kostengünstigen biogenen Reststoffen. Diese Brennstoffe umfassen beispielsweise Weizen-, Gerste-, Mais- und Rapsstroh, Sonnenblumenstängel, kommunalen Grün- und Strauchschnitt, Energiepflanzen aus Brachenutzung, Palmwedel und vieles mehr. Das Forschungsprojekt soll zu einem konkurrenzfähigen, marktreifen Verbrennungssystem für die genannten Brennstoffe führen, welches ein innovatives Verbrennungskonzeptes aus früheren Forschungsarbeiten der Projektpartner implementiert.

Die wesentlichsten Aspekte des neuartigen Verbrennungskonzeptes umfassen den vollständigen Ausbrand der brennbaren Stoffe bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen (aufgrund der niedrigen Ascheschmelzpunkte der eingesetzten Brennstoffe), die sehr kurze und gleichmäßige Gasverweilzeit, welche zu kleinen und kompakten Abmessungen der Brennkammer führt, sowie das hochturbulente Strömungsregime im Inneren der Brennkammer zur Erreichung einer idealen Durchmischung von brennbaren Gasen und Verbrennungsluft. Weil die Verbrennung des biogenen Brennstoffes bei der angewandten Verbrennungstechnologie sehr stark auf Strömungsphänomenen beruht, basiert das Design und auch die nachfolgende Optimierung des Verbrennungsapparates weitestgehend auf numerischer Strömungssimulation (CFD). Diese Simulationen werden unter Anwendung des kommerziellen Software-Pakets FLUENT auf einem Multiprozessor-Clustercomputersystem durchgeführt. Zahlreiche erweiterte Simulationsmodelle mussten angewandt werden, um korrekte Simulationsergebnisse zu erhalten. Diese Modelle umfassen die Beschreibung von Turbulenz, Strahlung, homogene und heterogene Biomassevergasung und –verbrennung sowie Ausbrand von Flugasche. Während des ersten Projektteiles wurden die Simulationsergebnisse sowie das Wissen aus früheren Forschungsprojekten zur Auslegung und zum Design der Brennkammer herangezogen. Nach dem Aufbau und der Inbetriebnahme einer realen Verbrennungsanlage in mittlerem Maßstab werden intensive experimentelle Arbeiten das reale Verbrennungsverhalten zum Thema haben. Diese Arbeiten werden dann zu einer Verifizierung und zum Feintuning der eingesetzten Simulationsmethoden herangezogen. Die verfeinerten Strömungssimulationen werden sodann zur weiteren Optimierung der Brennkammergeometrie und der Anlagenbetriebsparameter verwendet, um eine Maximierung des thermischen Wirkungsgrades sowie eine Reduktion der Emissionen von Kohlenmonoxid, Stickoxid und Staub zu erreichen. Weitere Untersuchungen sollen die Identifizierung von „Hot spots“ im Inneren der Brennkammer (zu Auswahl der geeigneten Blechqualitäten) sowie das Auffinden möglicher Stellen von Ascheablagerungen und Hochtemperaturkorrosion beinhalten.

Die reale Verbrennungsanlage wird mit einem, ebenfalls von der Arbeitsgruppe Thermische Verfahrenstechnik und Simulation entwickelten, Automatisierungssystem betrieben. Dieses System umfasst einen industriellen Prozessrechner (SPS), Prozessvisualisierung, Datenerfassung und Datenspeicherung. Erweiterte Automatisierungs- und Regelungsalgorithmen werden zur Einstellung eines sicheren Anlagenbetriebes, schneller und sicherer Anfahr-, Abfahr- und Notstop-Prozeduren sowie einer optimal geregelten Verbrennung implementiert. Alle wesentlichen Anlagenparameter werden gemessen, gespeichert und für die nachfolgende Anlagenoptimierung ausgewertet.

Abbildung: Außenansicht des Verbrennungsapparates (Links) sowie Gas-Strömungsgeschwindigkeit auf zwei Auswerteebenen als Resultat der CFD-Simulation (Rechts)

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