Konzeptionelle Entwicklung von emissonsarmen ... · Wird ein kleiner Wert für den Faktor AMag gewählt, findet eine Berechnung in der Simulation überwiegend temperaturkontrolliert

AusgangslageWenn über die Energiewende gesprochen wird, dann meistens im Stromsektor, nicht aber imWärmesektor. Einzelfeuerstätten, die mit Holz betrieben werden, sind mit ca. 11 Mio. in hoherStückzahl im Anlagenbestand vertreten und haben einen jährlichen Zuwachs vonca. 400.000 Stück, vornehmlich Kaminöfen (75 %).

ProblemstellungBiomassefeuerungen tragen einen vergleichsweise geringen Anteil am gesamtenPrimärenergieeinsatz in Deutschland bei (ca. 3 %), allerdings lagen im Jahre 2015 dieEmissionen an Feinstaub aus Holzfeuerungsanlagen erstmals höher, als die aus Motoren vonPKWs und LKWs. Um die strengen Umweltanforderungen (1. BImSchV, TA Luft 2017,EcoDesign EU Richtlinie 2020) im Praxisbetrieb zu erfüllen, ist eine intensive Voruntersuchungin der Konzeptionsphase neuer Biomassefeuerungen oder für ein Retrofit von Bestandsanlagenwichtiger denn je. Die Entwicklungszeit kann zum Beispiel durch eine Simulation derBiomassefeuerung reduziert werden.

Konzeptionelle Entwicklung von emissonsarmen Biomassefeuerungen mittels CFD-Simulation – 7. Fachkolloquium, Fraunhofer IPB, Stuttgart

18.05.2017JES! - JUSCHKA Energy Solutions 1

Der Entwicklungsprozess von Biomassefeuerungen beginnt üblicherweise mit der Erstellung einesFeuerungskonzepts. Das Emissionsverhalten in diesem Entwicklungsschritt kann, auch bei einemnoch so hohen Erfahrungswert, oftmals nicht zuverlässig abgeschätzt werden. Erst mit derKonstruktion und Fertigung eines Prototyps, kann auf dem Prüfstand das Emissionsverhalten desFeuerungskonzepts überprüft werden. Entspricht das Emissionsverhalten nicht denAnforderungen, findet dann die Optimierung nach dem Prinzip „Versuch und Irrtum“, aufwendig aufdem Prüfstand statt. Teilweise wird die Optimierung durch Kaltmodelle oder mit Hilfe dernumerischen Simulation (CFD, engl.: computational fluid dynamics) unterstützt. Bei der CFD-Simulation ergibt sich durch die Visualisierung der dreidimensionalen Strömung, sowie derVerteilung der Temperatur und Gaskonzentrationen, ein wesentlicher Vorteil im Verständnis derFunktionsweise einer Feuerung.Die Möglichkeiten der Optimierung sind allerdings in dieser weit fortgeschrittenenEntwicklungsphase eingeschränkt und bei grundlegenden Änderung des Verbrennungskonzeptsmuss teilweise wieder am Anfang des Entwicklungsprozesses begonnen werden.Entspricht dann das Emissionsverhalten den Anforderungen, kann nach einer bestandenenTypprüfung das Produkt vermarktet werden. Um die Entwicklungszeit von Biomassefeuerungen zuverkürzen, muss am Anfang des Entwicklungsprozesses eine direkte Bewertung des Konzeptsdurch die CFD-Simulation erfolgen.



Die Qualität der Simulationsergebnisse hängt stark von den zugrunde liegenden Strömungs- undReaktionsmodellen, dem mathematischen Rechengitter und den festzulegendenRandbedingungen ab. Für die Durchführung einer Simulationsrechnung bedarf es ein hohes Maßan Erfahrung und Wissen, um konvergente Rechenergebnisse zu generieren. Dazu muss dieFeuerung vereinfacht und in ein CFD-konformes Modell überführt werden. Die komplexenVorgänge bei der Holzverbrennung müssen für die CFD-Simulation in ein beherrschbares,vereinfachtes mathematisches Modell überführt werden. Dabei wird die reale Reaktion bei derHolzverbrennung z. B. als eine „Zwei-Schritt-Reaktion“ von Methan beschrieben. Hierbei reagiertim ersten Schritt Methan (CH4) mit Sauerstoff (O2) zu Kohlenmonoxid (CO) und Wasser (H2O).Das Kohlenmonoxid reagiert dann im zweiten Schritt mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO2). Dafürbieten kommerzielle CFD-Simulationsprogramme entsprechende Reaktionsmodelle zur Auswahlan, wobei hier das Eddy-Dissipation Modell (EDM) gewählt wurde. In diesem Reaktionsmodellwerden in jeder Rechenzelle zwei Reaktionspfade parallel gerechnet. Der Reaktionsmechanismusfür den Reaktionspfad 1 ist dabei temperaturkontrolliert, der für Reaktionspfad 2mischungskontrolliert. Der temperaturkontrollierte Pfad wird anhand von Faktoren parametrisiertund ist in einschlägiger Literatur gut dokumentiert. Der mischungskontrollierte Reaktionspfad 2kann individuell über einen Faktor AMag eingestellt werden. In jeder Rechenzelle findet bei jedemRechenschritt eine Minimumsabfrage statt und der Reaktionspfad mit der geringstenReaktionsgeschwindigkeit wird für die weitere Berechnung gewählt.



Den Einfluss auf die Verteilung der einzelnen Reaktionsmechanismen über das Strömungsfeld ineiner Einzelraumfeuerung ist in dieser Folie schematisch dargestellt. Die Verteilung der einzelnenPfade ist abhängig von der Wahl des Faktors AMag im mischungskontrolliertenReaktionsmechanismus. Wird ein kleiner Wert für den Faktor AMag gewählt, findet eine Berechnungin der Simulation überwiegend temperaturkontrolliert statt und es werden relativ hoheKonzentrationen von Kohlenmonoxid berechnet. Wird hingegen ein großer Wert für den FaktorAMag gewählt, erfolgt die berechnete Reaktion in der Simulation überwiegend mischungskontrolliertund es werden geringere Konzentrationen von Kohlenmonoxid berechnet. Richtwerte für denFaktor AMag sind für Einzelraumfeuerung nicht in der Literatur zu finden und werden üblicherweisemit Hilfe von Messwerten auf dem Prüfstand bestimmt.



Für eine Einzelraumfeuerung sollen zwei Verbrennungskonzepte verglichen werden. Konzept 1weist einen W-förmigen Sekundärluftkanal auf. Im Konzept 2 wurde für die bessere Vorwärmungder Sekundärluftkanal verändert. Zusätzlich wurden im Konzept 2 im hinteren Bereich desBrennraumes Öffnungen für eine hintere Verbrennungsluft angebracht. Für die Bewertung derVollständigkeit der Verbrennung eignet sich als Leitkomponente dieKohlenmonoxidkonzentrationen (CO). In der Hauptverbrennungsphase ist auf dem Prüfstand keineVerbesserung der Kohlenmonoxidkonzentration festzustellen. Der Aufwand für den Bau von zweiPrototypen und die messtechnische Evaluierung auf dem Prüfstand, steht in keinem Verhältnis zuder äußerst geringen Verbesserung des Emissionsverhaltens von Konzept 2.Wird die CDF-Simulation für die Bewertung eingesetzt, zeigt diese eine Verbesserung desEmissionsverhaltens von Konzept 2, allerdings suggeriert die Ergebnisse der Simulation ein hohesPotential in der Verbesserung des Emissionsverhaltens.



Eine emissionsarme Biomassefeuerung im Praxisbetrieb kann gut anhand der CO-λ-Charakteristik bzw. CO-O2-Charakteristik beschrieben werden. Für die Praxisanwendung ergibt sich ein wichtiges Qualitätskriterium, den Betriebsbereich. Dieser ist dadurch definiert, dass bei einem Anstieg der Luftzahl bzw. des Restsauerstoffgehalts im Abgas, die Kohlenmonoxidkonzentration nicht bzw. nur sehr gering ansteigt. Daher sollte dieser Betriebsbereich bei Biomassefeuerung so groß wie möglich ausfallen. Für einen hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad sollte der Luftüberschuss so gering wie möglich sein und die Kohlenmonoxidkonzentration, als Vertreter der Produkte aus der unvollständigen Verbrennung, sind zu minimieren.Daher ist bei der Entwicklung von emissionsarmen Biomassefeuerungen im Praxisbetrieb eine punktuelle Berechnung mit der CFD-Simulation nicht zielführend. Wird ohne eine Kalibrierung der Simulationsergebnisse die CO-λ-Charakteristik bzw. CO-O2-Charakteristik für die Einzelraumfeuerungen erstellt, ist bei beiden Konzepten keine Übereinstimmung der CFD-Simulation mit den Messwerten festzustellen. Wird hingegen die Ergebnisse der Simulation in einem nachgeschalteten Prozess Kalibriert, so ist eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der CFD-Simulation und den Messwerten gegeben. Durch Änderung des Kalibrierfaktors ist es auch möglich eine CO-λ-Charakteristik bzw. CO-O2-Charakteristik für eine geringe Leistung zu erstellen.



Die Methode zur Kalibrierung von Ergebnissen der CFD-Simulation wurde im Rahmen derPromotion von Herrn Juschka entwickelt. Anhand einer Parameterstudie wird die Gewichtung destemperatur- und mischungskontrollierten Reaktionspfades bestimmt und in einemnachgeschalteten Prozess neu eingestellt. Die Kalibrierung wird dann mit Hilfe eines über dengesamten Betrachtungsbereich konstanten Kalibrierfaktor durchgeführt. NeueSimulationsrechnungen sind dafür nicht nötig.



Mit Hilfe von kalibrierten Ergebnisse aus der Simulation und anhand der zuverlässigenBerechnung der CO- -Charakteristik, ist eine direkte Bewertung des Emissionsverhalten in derKonzeptionsphase einer Biomassefeuerung möglich. Dadurch kann eine Optimierung desVerbrennungskonzept in einer Entwicklungsphase erfolgen, in der die größte Gestaltungsfreiheitvorhanden ist. Erst wenn der Optimierungszyklus in der Konzeptionsphase abgeschlossen ist, wirddas Feuerungskonzept in einen Prototypen umgesetzt. Wenn nötig kann eine Detailoptimierungauf dem Prüfstand erfolgen (z. B. beim Kaminofen die Stellung der Luftschieber oder bei einemPelletkessel die Algorithmen der Verbrennungsregelung). Am Ende des Entwicklungsprozess isteine Biomassefeuerung mit einem Verbrennungskonzepten für einen emissionsarmenPraxisbetrieb vorhanden. Eine konzeptionelle Entwicklung einer Brennkammer für einenStückholzkessel soll nachfolgend anhand eines Beispiels gezeigt werden.



Diese Folie zeigt mögliche Verbrennungskonzepte für eine Stückholzkessel. DieBrennkammerdesigns unterscheiden sich, sowohl hinsichtlich der Geometrie als auch derStrömungsführung deutlich. Für ein besseres Verständnis ist die Strömung als Stromliniendargestellt, koloriert mit der Temperatur. Die Wärmefreisetzung auf Grund der Reaktionen ist durchein dreidimensionaler, kolorierter Volumenkörper dargestellt.Bei den beiden Verbrennungskonzepten „Tangentialbrennkammer“ strömen die Pyrolysegasetangential in die Sekundärkammer ein. Über ein stirnseitiges Rohr wird die Sekundärlufteingebracht. Die Beiden Konzepte unterscheiden sich durch die Einbringung der Sekundärluft indie Brennkammer.Die Linearbrennkammer zeichnet sich durch eine stehende Brennkammer ohne Umlenkung aus.Die Pyrolysegase treten im unteren Bereich der Linearbrennkammer ein und werden in einerEinschnürung mit Sekundärluft vermischt. Im Gegensatz dazu wurde bei derRotationsbrennkammer ein Konzept mit erhöhter Turbulenz für die Mischung der ReaktionspartnerPyrolysegase und Sekundärluft realisiert.



Anhand von kalibrierten Ergebnissen aus der Simulation wurden für die VerbrennungskonzepteTangentialbrennkammer (2+3), Linearbrennkammer (1) und Rotationsbrennkammer (4) die CO- -Charakteristik bestimmt. Hierbei wurde für alle Brennkammervarianten ein konstanterKalibrierfaktor verwendet.Die Rotationsbrennkammer weist einen großen Betriebsbereich bei rel. niedrigenKohlenmonoxidkonzentrationen auf und wird als bestes Verbrennungskonzept favorisiert.Weiterhin soll die Linearbrennkammer, aufgrund des einfachen konstruktiven Aufbaus bei rel.geringen Kohlenmonoxidkonzentrationen, zusätzlich als Verbrennungskonzept in einem Prototypumgesetzt werden.



Die Verbrennungskonzepte Linearbrennkammer und Rotationsbrennkammer wurden konstruiert,gefertigt und in einem Prototyp umgesetzt.



Folie 12 zeigt den Verlauf der aus kalibrierten Simulationsergebnissen berechneten CO-O2-Charakteristik im Vergleich zu den Messergebnissen für die Linearbrennkammer. Es ist eine sehrgute Übereinstimmung von berechneter und gemessener CO-O2-Charakteristik zu erkennen.



Folie 13 zeigt den Verlauf der aus kalibrierten Simulationsergebnissen berechneten CO-O2-Charakteristik im Vergleich zu den Messergebnissen für die Rotationsbrennkammer. Bei derRotationsbrennkammer fand zuerst eine Kalibrierung der Simulationsergebnisse fürNennwärmeleistung statt (bezeichnet mit „Simulation kalibriert hohe Leistung“). Danach wurde füreinen Betriebspunkt der Teillast eine weitere CFD-Simulation durchgeführt (roter Punkt,bezeichnet mit „Simulation Teillast“). Anschließend wurde der Kurvenverlauf der kalibriertenSimulationsergebnisse für eine hohe Leistung durch Änderung des Kalibrierfaktor parallelverschoben, sodass diese durch den roten Punkt der Teillast verläuft. Diese parallel verlaufendeKurve repräsentiert das Emissionsverhalten der Rotationsbrennkammer bei Teillast (bezeichnetals „Simulation kalibriert geringe Leistung“). Weitere Simulationsrechnungen sind für die Erstellungeiner CO-O2-Charakteristik der Teillast nicht nötig.Auch bei der Rotationsbrennkammer kann eine sehr gute Übereinstimmung der kalibriertenSimulationsergebnisse mit den auf dem Prüfstand ermittelten Messwerten für die CO- und O2-Konzentrationen, sowohl für die Nennwärmeleistung als auch für den Teillastbetrieb, festgestelltwerden.




18.05.2017JES! - JUSCHKA Energy Solutions 14 - 15

Zusammenfassung und Fazit

M. Sc. W. Juschka

Vergangenheit: Konzept – Konstruktion – Prototyp – Prüfstand

Optimierung auf dem Prüfstand

Validierung der Simulation anhand von Messwerten

CFD-Simulation am Ende des Entwicklungsprozesses

Best Practice: Konzept – Optimierung mit CFD – Konstruktion – Prototyp – Prüfstand

Bewertung unterschiedlicher Konzeptvarianten anhand einer

verlässlichen Berechnung der CO- -Charakteristik

Kalibrierung der Simulationsergebnisse

CFD-Simulation am Anfang des Entwicklungsprozesses

zur Auswahl von Verbrennungskonzepten für einen

emissionsarmen Praxisbetrieb

Methode erfolgreich eingesetzt für die Bewertung unterschiedlicher Brennkammerdesigns

eines Stückholzkessels14

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Dan

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