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