1.097 1.1421.037
1.101
931 984
791
SyG,ref SyG,1 SyG,2 SyG,3 SyG,4 SyG,3 SyG,4
-2-step -2-step+ -1-step -3-step
Innovationen für die Energiewende imWärmemarkt durch die CFD-Simulation
Durch eine neu entwickelte Methode zur Kalibrierung vonCFD-Simulationsergebnissen kann eine verlässliche Vorhersage
des Emissionsverhaltens von Biomassefeuerungen erstellt werden. Somit können beider Konstruktion neuer Biomassefeuerungen die Vorteile der CFD-Simulation bereits inder Konzeptionsphase und ohne die Anfertigung von Prototypen genutzt werden. Durchdie Methode ist eine verlässliche Vorhersage der CO-O2-Charakteristik derBrennraumkonzepte möglich. Dadurch kann eine fundierte Auswahl der optimalenKonzeptvariante erfolgen, ohne aufwendige Vermessung von Prototypen auf demPrüfstand.
Dipl.-Ing. (BA), M. Sc. W. JUSCHKA
JES! – JUSCHKA Energy Solutions, www.0711jes.de
NEI
N Detailoptimierung
Prototyp PrüfstandKonzept CFD-Simulation JA
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
0 2 4 6 8 10 12
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Simulation kalibriert
Messung
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Simulation kalibrierthohe Leisung
MessungTeillast
Simulation kalibriertgeringe Leistung
MessungNennlast
SimulationTeillast
𝒙𝒙𝒊𝒊in %
Gasref*
Gas 1*
Gas 2*
Gas 3#
Gas 4#
𝐶𝐶𝑂𝑂 43 33 55 36 23𝐶𝐶𝐶𝐶4 18 21 15 18 17,5𝐶𝐶2 0,5 2𝐶𝐶𝑂𝑂2 22 34 8 32,5 56𝐶𝐶2𝑂𝑂 17 12 22 13 1,5* 𝐺𝐺𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟,1…2 als Methan-2-Schritt (CH4-2-step):�̇�𝑟𝐶𝐶𝐶𝐶4 über „vermischt = verbrannt“
# 𝐺𝐺3…4 als CH4-2-step und Wasserstoff-1-Schritt (H2-1-step)bzw. Methan-3-Schritt (CH4-3-step) :�̇�𝑟𝐶𝐶2 über „vermischt = verbrannt“
𝑃𝑃𝑡𝑡𝑡 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐. für 𝐺𝐺𝐺𝐺𝑐𝑐𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 und 𝐺𝐺𝐺𝐺𝑐𝑐1…4
Einführung
Direkte Bewertung desEmissionsverhaltens mitkalibrierten Ergebnissenaus der CFD-Simulation
Modellgestützter Optimierungszyklus inder Konzeptionsphase einer Feuerung
Bei der CFD-Simulationen ist der Magnussen-Koeffizient (𝐴𝐴𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) im mischungskontrollierten Reaktionspfad �̇�𝑟𝑖𝑖𝑚𝑚𝑖𝑖𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡
im Eddy Dissipation Model (EDM) nicht allgemeingültig und wird überwiegend durch aufwendige Vermessungeines Prototypen auf dem Prüfstand bestimmt. Der Magnussen-Koeffizient (𝐴𝐴𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) ist nicht nur von der Geometrie, sondern auch vomLuftüberschuss des Verbrennungskonzeptes abhängig. Durch eine Parameterstudie von 𝐴𝐴𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 in Abhängigkeit des Luftüberschusses(Sauerstoffklasse 𝐶𝐶𝑂𝑂2) wird eine Gewichtung der beiden Reaktionspfade �̇�𝑟𝑖𝑖
𝑡𝑡𝑟𝑟𝑚𝑚𝑡𝑡 und �̇�𝑟𝑖𝑖𝑚𝑚𝑖𝑖𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡 im EDM vorgenommen. Mit der Kurve derCO-Charakteristik, der Gewichtungscharakteristik und mit einem über den gesamten Sauerstoffbereich konstanten Kalibrierfaktor,können in einem nachgeschalteten Prozess die Kohlenmonoxidkonzentrationen am Ende der Feuerung neu bestimmt werden.
Methode
Wird z.B. die Zusammensetzung des Brennstoffgemisches oder werden andere Reaktionsmechanismenim EDM (Methan-2-Schritt oder Methan-3-Schritt) genutzt, werden andere Kohlenmonoxidkonzentrationen im
Abgas berechnet, die CO-Charakteristik des Brennraumkonzeptes bzw. der Feuerung ändert sich allerdings nicht. Dies ergab eineSensitivitätsanalyse mit den Eingangsparameter der CFD-Simulation.
Sensitivität
Diese innovative Methode ermöglicht die zuverlässige Berechnung der CO-O2-Charakteristik und damit eine Vorhersagedes Betriebsbereichs und des Emissionsverhaltens von Biomassefeuerungen. Die Optimierung findet in einem
Entwicklungsschritt statt, welcher die größtmögliche Gestaltungsfreiheit zulässt. Somit lassen sich Neuentwicklungen oder ein Retrofitan Bestandsanlagen, sowohl zeit- und als auch kosteneffizient gestalten.
Fazit
Dr.-Ing. M. STRUSCHKA
Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)
Rotationsbrennkammer
Linearbrennkammer
Ergebniss derParameterstudie
8222-step
3-step
5,8
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
0 1Gewichtung
im E
DM
für
Gewichtung-charakteristik
CO-Charakteristikder Feuerung
28. Deutscher FlammentagVerbrennung und Feuerung
VDI-Fachtagung 6. / 7. Sept. 2017