Die Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken führt tendenziell zu vermehrter Bildung von Ascheablagerungen auf den Oberflächen der Wärmeübertrager. Die Ascheablagerungen beeinträchtigen besonders im Bereich der Überhitzer-Heizflächen die Wärmeübertragung vom Rauchgas in den Wasser/Dampf-Kreislauf und schränken dadurch den Wirkungsgrad des Dampferzeugers ein. Um diese negativen Folgen vermindern zu können, ist ein grundlegendes Verständnis der Bildung der Ascheablagerungen erforderlich. Vor allem der hohe Anteil an flüchtigem Kalium, das während der Verbrennung der Biomasse freigesetzt wird, trägt zur Bildung von Ascheablagerungen bei. Das freigesetzte Kalium kann dabei vor oder während des Kondensationsprozesses mit Aschepartikeln reagieren. Dies führt zum Schmelzen von Aschepartikeln und damit letztlich zur Ablagerung an den Oberflächen der Wärmeübertrager. Das freigesetzte Kalium kann ebenfalls auf den gekühlten Rohroberflächen kondensieren und dort eine klebrige Schicht bilden, die die Bildung weiterer Ablagerungen noch beschleunigt.
In den letzten Jahren hat sich die Modellierung von Verbrennungsprozessen in Verbindung mit der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics) als sehr effizientes und zuverlässiges Hilfsmittel dargestellt. Daher wird dieses Tool vielfach angewendet um Strömungsfeld, Temperaturverteilung, Rauchgaszusammensetzung und Partikelbewegung in Brennkammern bei einer hohen örtlichen Auflösung vorherzusagen. Außerdem kann darin der Ascheablagerungsprozess durch die Integration von Depositionsmodellen umfassend untersucht werden. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit besteht aus der Modellierung der Ablagerungsbildung in kohlegefeuerten Dampferzeugern bei Mitverbrennung von Biomasse. Als Schwerpunkt wurde insbesondere die Freisetzung von alkalischen Bestandteilen und deren Einfluss auf den Aufbau der Ablagerung untersucht. Die entsprechenden Modelle wurden in den Verbrennungssimulationscode AIOLOS integriert. Die Modelle zur Ablagerungsbildung wurden als Post-Processing-Schritt implementiert. Im ersten Schritt wird dabei eine Basissimulation durchgeführt, die sowohl die Freisetzung der Kaliumverbindungen als auch das Strömungsfeld sowie die Temperatur- und Konzentrationsverteilung beschreibt. Daraufhin wird der Verlauf einer großen Anzahl an Partikeln in der Brennkammer verfolgt bis diese entweder die Wandflächen berühren und haften bleiben oder die Brennkammer mit dem Rauchgas verlassen.
Die Daten die in der Basissimulation generiert wurden – wie Konzentration der Feststoffe bzw. Eigenschaften der Gasphase – werden nun als Eingangsdaten für das eigentliche Modell des Ablagerungsmechanismus verwendet.
Sowohl heterogene als auch homogene Reaktionen werden zur Beschreibung der Alkalifreisetzung berücksichtigt. Die heterogenen Reaktionen sind unterteilt in einen ersten Schritt der Alkalifreisetzung und eine darauffolgende Reaktion zwischen den freigesetzten Alkalispezies und den Aluminiumsilikaten der Flugasche. Ein globales Modell von Tomeczek wird zur Beschreibung der Sulfatisierung der freigesetzten Alkalispezies verwendet. Die Validierung der eingesetzten Modelle wurde anhand von Simulationen eines Flugstromreaktors im kleinen Maßstab durchgeführt. Das Modell zur Natriumfreisetzung wurde mit Hilfe von Simulationen mit einer deutschen Steinkohle als Brennstoff evaluiert. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den Messungen überein – insbesondere bei einer Verweilzeit von weniger als 10 s.
Zur Validierung des vorgeschlagenen Modells zur Kaliumfreisetzung wurden Simulationen mit Braunkohle mit niedrigem Aluminiumsilikat-Gehalt und mit Steinkohle als Brennstoff bei kurzer Verweilzeit durchgeführt. Die berechnete Kaliumfreisetzung zeigt eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Allerdings zeigt sich dabei auch, dass eine Reaktionsrate, die bei einem bestimmten Kohletyp gut passt, nicht auf andere Kohletypen übertragbar ist. Unterschiedliche Aschezusammensetzungen können das Verhalten der Aschebestandteile bzgl. der Kontrolle der Alkalifreisetzung beeinträchtigen. Was die Bildung der Ablagerungen angeht, so wird sowohl der Einfluss der Alkalispezies auf die Haftwahrscheinlichkeit der Aschepartikel als auch der Beitrag der freigesetzten Alkalispezies zu der Ablagerungsschicht modelliert. Dabei werden zwei wesentliche Ablagerungsmechanismen berücksichtigt. Dies sind das inerte Auftreffen der Kohlenstaubpartikel sowie die Kondensation der freigesetzten Alkaliverbindungen. Damit wurden Simulationen von Biomasse-Mitverbrennung in kohlegefeuerten Dampferzeugern durchgeführt. Die Simulationsergebnisse werden mit Fokus auf die Eigenschaften der eingesetzten Biomasse und den Anteil der Biomasse an der Gesamtleistung diskutiert und mit experimentellen Daten verglichen.
In Bezug auf die Basissimulation zeigt sich, dass das berechnete Temperaturprofil gut mit den Messwerten übereinstimmt. Gewisse Abweichungen sind auf die Unsicherheiten bei der Bestimmung der Drallzahl der Sekundärluft zurückzuführen. Es wurden zwei Kondensationsmodelle eingesetzt und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur Vorhersage des Ablagerungsprozesses in kohlegefeuerten Dampferzeugern bei Biomasse-Mitverbrennung bewertet. Im Allgemeinen ist die Kondensationsrate, die mit einem Modell auf Basis der Filmtheorie berechnet wurde, um fünf Größenordnungen niedriger als die Kondensationsrate, die mit dem Modell nach Goldbrunner berechnet wurde. Mit Goldbrunners Modell besteht die Ablagerung überwiegend aus kondensierbaren Spezies. Dies stimmt allerdings nicht mit den betrachteten realen Testfällen überein. Deshalb wurde das auf der Filmtheorie beruhende Modell verwendet, um die Kondensation von K2SO4 zu beschreiben. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass das Filmtheorie-Modell die Kondensationsrate an den Überhitzer-Heizflächen in Dampferzeugern vorhersagen kann. Dennoch wurden Abweichungen zwischen Experiment und Simulation beobachtet. Diese könnten auf den Einfluss der Bildung von Aerosolen zurückzuführen sein, was jedoch in dieser Arbeit nicht berücksichtigt wurde.