Modellierung und numerische Prozesssimulation einer Klärschlamm-Monoverbrennungsanlage

Abstract

Für die vorliegende Arbeit wurden im Auftrag der EVN Wärmekraftwerke GmbH zwei Modelle für die Simulation einer Monoverbrennungsanlage für Klärschlamm mit anschließendem Dampferzeuger erstellt. Mittels des Programmes IPSEpro wurde ein Modell erstellt, das einen Gesamtprozess abbildet. Dieser Gesamtprozess umfasst die Vortrocknung und Verbrennung des Klärschlammes als auch den nachgeschalteten Kreisprozess des Wassers. Ein derartiges IPSEpro-Modell dient im Auslegungsprozess der Bilanzierung einzelner Prozesskomponenten. Mittels solcher Bilanzierungen lassen sich Randbedingungen für spätere Auslegungsrechnungen generieren. Die Simulation in IPSEpro hat gezeigt, dass die Bereitstellung von Nutzwärme für die Trocknung des Klärschlammes als auch für die Verbrennungsluftvorwärmung und sonstige interne Verbraucher durch prozessinterne Wärmerückgewinnung erfolgen kann. Mit dem Programm Power Plant Simulator and Designer (PPSD) wurde ein Modell erstellt, welches die Verbrennung von vorgetrocknetem Klärschlamm samt Abhitzedampferzeuger simuliert. Die Modellbildung erfolgte anhand konstruktiver als auch stofflicher Daten einer vorab durchgeführten Berechnung seitens EVN. In beiden Modellen lag ein Hauptaugenmerk auf der möglichst realistischen Darstellung des zweistufigen Verbrennungsprozesses in einer stationären Wirbelschichtfeuerung. In beiden Modellen konnte eine für die EVN zufriedenstellende Darstellung dieser Feuerungsform realisiert werden. Die Ergebnisse der Simulation in PPSD bestätigen weitestgehend die Vorberechnung der EVN. An einzelnen Heizflächen wurden signifikante Unterschiede in den berechneten Wärmeleistungen zwischen PPSD und EVN festgestellt. Ursachen für diese Unterschiede werden in der Arbeit diskutiert. Im Zuge der Aufgabenstellung werden in der Arbeit Grundlagen über die Entstehung als auch die Verwertung von Klärschlamm behandelt. Außerdem wird auf die Brennstoffeigenschaften von Klärschlamm eingegangen und die daraus folgenden charakteristischen Mechanismen bei der Verbrennung.

For the present work, on behalf of EVN Wärmekraftwerke GmbH, two models for the simulation of a mono-combustion-plant for sewage sludge including steam generation were created. By means of the program IPSEpro a model was created, which represents an overall process. This overall process includes the pre-drying and incineration of sewage sludge as well as a water cycle process in order of steam generation. An IPSEpro model like this helps to balance individual process components in the design process. By means of such balances, boundary conditions can be generated for later design calculations. The simulation in IPSEpro has shown that the useful heat for the drying of the sewage sludge as well as for preheating the combustion air and other internal appliances can be provided by process-internal heat recovery. With the program Power Plant Simulator and Designer (PPSD) a model was created which simulates the combustion of pre-dried sewage sludge including a heat recovery steam generator. The modelling was based on constructive as well as material data of a previously performed calculation by EVN. In both models the main focus was on a realistic representation of the two-stage combustion processes in a bubbling fluidized bed combustor. In both models it was possible to achieve a satisfying representation of this type of combustion for EVN. The results of the simulation in PPSD largely confirm the precalculation of EVN. Significant differences in the calculated heat outputs between PPSD and EVN were found at some heating surfaces. Causes for these differences are discussed in this paper. In the course of the task the basics about the formation as well as the utilization of sewage sludge are treated in the work. In addition, the fuel properties of sewage sludge and the resulting characteristics and mechanisms during combustion are discussed.