Fluiddynamische Simulationen zur Untersuchung der Verbrennungseigenschaften eines Low-NOx-Brenners

Abstract

Stickstoffoxide entstehen als unerwünschte Nebenprodukte bei der Verbrennung von Brenn- und Treibstoffen. Angesichts der bestehenden Umweltbelastung und der daraus resultierenden stetigen Senkungen von erlaubten Emissionsgrenzwerten für die Industrie besteht ein Forschungs- und Entwicklungsbedarf in der Emissionsminimierung.<br />Sowohl in der Kraftwerks- und Feuerungsindustrie, als auch in Produktionsbetrieben, die mit Verbrennungsanlagen ausgestattet sind, ist es notwendig, die Schadstoffemissionen möglichst gering zu halten.<br />Im Rahmen dieser Arbeit wird auf Basis einer umfangreichen Literaturstudie und der Erfahrungen der Firma DUMAG Brenner-Technologie Ges.m.b.H. ein Low-NOx-Industriebrenner entwickelt, der für die Feuerung sowohl flüssiger als auch gasförmiger Brennstoffe geeignet ist. Eine Herausforderung stellt dabei die Voraussetzung dar, dass der Brenner eine möglichst kostengünstige Lösung für unterschiedliche Flammrohre und Kessel aus der Industrie darstellen soll, weshalb sein Einbau keine aufwändigen Umbauten oder Erweiterungen der bereits bestehenden Anlagen erfordern darf. Aus diesem Grund wird auf jegliche Art von sekundären Maßnahmen zur Emissionsminderung verzichtet, und auch einige Primärmaßnahmen - wie etwa die externe Rauchgasrezirkulation und die intensivierte Luftstufung - werden nicht in Erwägung gezogen. Als Maßnahmen zur Minderung der Stickstoffoxidbildung werden insbesondere das Prinzip der gestuften Verbrennung sowie jenes der internen Rauchgasrezirkulation gewählt.<br />Die Effizienz der gewählten Maßnahmen wird einerseits durch Messungen überprüft und andererseits durch Simulationen näher untersucht.<br />Durch die Simulationen kann zwar keine quantitative Ermittlung der zu erwartenden Emissionen erfolgen, dafür wird jedoch durch sie eine genauere Untersuchung der Effekte, welche unterschiedliche Brennereinstellungen auf das Strömungsfeld und die Verbrennung haben, ermöglicht.<br />Um die Einflüsse verschiedener Parameter grundlegend zu untersuchen, werden im Rahmen dieser Arbeit Simulationen von Methangasfeuerungen mit Leistungen von 1.5 MW und 10 MW unter Verwendung des CFD-Codes FLUENT durchgeführt. Zur Visualisierung der Einflüsse auf die Stickstoffoxidbildung wird der von Löffler et.al. [21] evaluierte Reaktionsmechanismus in Form einer benutzerdefinierten Funktion in FLUENT implementiert.<br />Auf Basis der Simulationsergebnisse können einige grundlegende Fragen geklärt werden. So wird etwa gezeigt, weshalb zu hohe Drallwinkel der Verbrennungsluft eine Erhöhung der Schadstoffemissionen bewirken, und es wird festgestellt, weshalb eine Erhöhung der Temperaturen von Verbrennungsluft oder Flammrohr nicht zwingend zu einer Erhöhung der Stickstoffoxidemissionen führen muss, sondern sogar eine Emissionsminderung bewirken kann.<br />Auch die Einflüsse weiterer Parameter - wie etwa der Eindüsungsgeschwindigkeiten von Luft und Gas, der Luftzahlen und des Sauerstoffgehaltes der Luft - werden anhand der Simulationsergebnisse eingehend untersucht.<br /> Für die experimentellen Untersuchungen wird der auf Basis der Literaturrecherche entwickelte Brenner anhand mehrerer Messreihen unter Ölverbrennung im Leistungsbereich von 0.6 bis 0.95 MW getestet. Dabei wird festgestellt, dass mit dem Prototyp deutlich geringere Emissionen verursacht werden als mit dem Vorgängermodell, welches bisher bei der Firma DUMAG eingesetzt wurde. Dies ist in erster Linie auf die in diesem Brenner besonders geförderten Prinzipien der Luftstufung und der internen Rauchgasrezirkulation zurückzuführen.<br />

Nitrogen oxides occur as an undesired chemical byproduct in combustion processes of different kinds of fuels. Facing the resulting environmental impact and the fact, that limit values are more and more abated, there is a considerable need for further research in emission reduction.<br />It is necessary to reduce pollutant emissions in power plants as well as in any other processes that use combustion technologies.<br />Within this work a Low-NOX-Burner for industry is developed in cooperation with DUMAG Burner-Technologies Ges.m.b.H. on the basis of a comprehensive study of literature. This Low-NOx-Burner is appropriate for burning liquid fuels as well as gaseous combustibles.<br />The challenge to be met is the fact, that the burner should be a competitive low-priced solution to different kinds of problems. It needs to fit to different kinds of combustion chambers and boilers without requiring any expensive conversions or amplifications of the existing plant. This is why no kind of secondary methods for emission reduction are allowed to be used, and as well some primary methods - like external recirculation of flue gas and intensive air grading - are unacceptable. The methods for emission reduction used within this work are in particular air grading methods and the principle of internal flue gas recirculation.<br />The efficiency of the chosen methods is on the one hand proven by experimental data from measurements and on the other hand investigated by simulation results.<br />The use of computational fluid dynamics does here not allow a quantitative calculation of the emission rates of nitrogen oxides.<br />However it enables a fundamental investigation of the effects that different settings of the burner cause on the flow field as well as on the combustion characteristics.<br />With the objective of fundamental investigations there are a series of simulations of methane gas firings with performances of 1.5 and 10 MW accomplished. For all the simulations the CFD-code FLUENT is used. For estimating the effects of different parameters on the NOx-emissions, an evaluated reaction mechanism from Löffler et.al. [21] is implemented to the software using a user defined function.<br />On the basis of the simulation results some fundamental questions are answered. As an example it is shown why nitrogen oxide emissions are raised by implementing too large angles of twist, and it is clarified why an increase of the temperature of combustion air or boiler wall does not stringently cause an emission increase but can as well cause a decrease of the pollutant emission.<br />The effects of other parameters - like for example the inlet velocities of combustion air and fuel, the air ratio, and the oxygen content of the combustion air - are studied as well.<br />The experimental data is obtained by testing the burner at performances of 0.6 to 0.95 MW using light fuel oil as combustible. A series of measurements is done.<br />The results show that with the new prototype that was developed on the basis of the state of the art, there are less emissions measured than with the burner used by DUMAG Burner Technologies up to now.<br />The achieved emission reduction is caused by the effects of air staging and internal flue gas recirculation, which are particularly implemented.