Prozess- und numerische Strömungssimulation bei der Neuentwicklung einer Verbrennungsanlage für ballenförmige Biomasse

Abstract

Trotz zahlreicher Technologievarianten der thermischen Nutzung von Biomasse bleibt die Verbrennung nach modernen Standards die wichtigste Prozessroute und stellt ein wesentliches Potential zur Deckung des weltweiten Primärenergiebedarfs vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels sowie der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Ressourcen dar. Die Entwicklung und Optimierung neuer Verbrennungsverfahren stellen sich aufgrund der hohen Standards häufig als sehr zeit- und kostenintensiv dar. Moderne Simulationswerkzeuge wie die Prozesssimulation und die numerische Strömungssimulation (CFD) können dabei wertvolle Unterstützung und Beschleunigungsmaßnahmen sein. Hierfür sind aber physikalisch fundierte und verlässliche Modelle mit hohem Detaillierungsgrad erforderlich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Simulationstechnologien anhand eines innovativen Verbrennungssystems für ballenförmige halmgutartige Biomasse. Nach der Vorstellung des analysierten Verbrennungskonzepts sowie experimenteller Ergebnisse aus einer Versuchsanlage mit 2 MW thermischer Leistung werden Prozesssimulation und Verbrennungsrechnung für den betrachteten Prozess dargestellt. In die-ser Arbeit wurde ein dreizoniges Verbrennungsmodell implementiert, welches in der Lage ist, bei globalem Luftüberschuss des Gesamtprozesses zonal auch unterstöchiometrische Verbrennung und die Entstehung brennbarer Gaskomponenten abzubilden. Hierfür wurde das stöchiometrische Gasreaktionsmodell um einen kinetischen Ansatz erweitert. Aus den Ergebnissen der Prozesssimulation wurden in weiterer Folge die Eintrittsrandbedingungen für die numerische Strömungssimulation abgeleitet. Für die numerische Strömungssimulation wurde ein komplexer Modellalgorithmus für die Beschreibung der heterogenen Verbrennungsschritte von Biomasse (Trocknung, Volatilisierung, Koksabbrand) entwickelt und in einem externen Solver implementiert. Dabei wurden die feste Brennstoffphase sowie deren Interaktion mit der Gasphase vollständig und dreidimensional ortsaufgelöst abgebildet. Für die Beschreibung von Strömung, Turbulenz, kinetischer Gasreaktionen und Wärmestrahlung wurden bestehende Modelle eines kommerziellen CFD-Solvers verwendet. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen sehr deutlich die Potentiale moderner Simulationstechniken bei der Entwicklung und Optimierung innovativer Biomasse-Verbrennungskonzepte auf. Im konkreten Verfahren konnte gezeigt werden, dass aufgrund der langsamen Ligninthermolyse keine vollständige Volatilisierung des Brennstoffes in der Primärzone erreicht werden kann und die Rostbelastung daher höher als in der ursprünglichen Anlagenauslegung ist. Die Gasanströmung in der Primärzone ist weiters durch suboptimal platzierte Luftdüsen sehr ungleichmäßig und führt zu heterogenem Abbrand der Ballenoberfläche, zu lokalen Temperaturspitzen und zur Ascheagglomeration. Schließlich konnten noch Strömungsschwachstellen im Bereich der sekundären Gasnachverbrennungszone nachgewiesen werden, die im Weiteren zu gesteigerten Schadstoffemissionen führen können. In Summe kann auf dem Wege der Simulation ein besseres Verständnis der physikalischen Vorgänge des untersuchten Prozesses und ein Einblick in messtechnisch kaum zugängliche Parameter erlangt werden.

Despite numerous alternative technologies for thermal biomass utilisation, combustion by modern standards remains to be the most prominent route offering a considerable potential for the satisfaction of the growing global primary energy demand in the face of climate change and dwindling fossil resources. Development and optimisation of novel combustion technologies typically are highly demanding regarding time and cost due to present-day's high standards. Modern simulation tools like process simulation and computational fluid dynamics (CFD) own the capability to powerfully act as support and acceleration factors during this phase. To unfold their full potential physically well-founded models with high degree of detail have to be applied. Current work addresses the development of these simulation technologies during the evolution of an innovative combustion system for baled herbaceous biomass. Initially, an introduction of the analysed combustion concept and some experi-mental results from a 2 MWth pilot plant are given. Subsequently, process simulation and combustion calculation for the considered process are discussed. A three-zoned combustion model has been implemented in this work having the ability to reproduce zonal under-stoichiometric combustion and combustible gases formation under global excess air conditions. For this purpose the stoichiometric gas reaction model has been extended with a reaction kinetic approach. Finally, the inlet boundary conditions for CFD calculations have been derived from the results of the process simulation works. Concerning the CFD simulation a complex model algorithm capable of describing the heterogeneous biomass combustion steps (drying, volatilisation, and char burnout) has been developed and implemented in an external solver environment. The solid fuel phase as well as the interaction with the gaseous phase have been modelled rigorously with three-dimensional spatial discretisation. Flow, turbulence, kinetic gas reactions and radiative heat transfer have been accounted for applying existing models within a commercial CFD-solver. Results of present work clearly indicate the high potential of modern simulation technologies for the development and optimisation of innovative biomass combustion concepts. Analysis of the current case shows that a complete volatilisation of the fuel can not be achieved within the primary combustion zone due to the very slow lignin thermolysis process. Subsequently, the fuel load of the afterburning grate is significantly higher than assumed in the initial plant layout. Furthermore, the non-ideal positioning of air nozzles in the primary combustion zone leads to a poor coverage of the burning bale surface, unbalanced bale burnout, thermal hot spots and local ash sintering. Additionally, several weak points in the flow inside the secondary combustion zone have been identified leading to reduced carbon burnout and increased pollutant emissions. Finally and ultimately, simulation allows for a better understanding of the physical be-haviour of the analysed process and provides an insight to experimentally hardly accessible parameters.