In den letzten Jahren hat sich die Modellierung von Verbrennungsvorgängen in Verbindung mit numerischer Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics – CFD) zu einem effizienten und zuverlässigen Werkzeug zur Berechnung und Optimierung von Feuerungsanlagen etabliert. In der vorliegenden Arbeit wird ein numerisches Modell entwickelt, das die relevanten physikalischen und chemischen Prozesse bei der thermischen Nutzung von Biomasse in Staubfeuerungen beschreibt. Die Hauptschritte von Biomasseverbrennung – Trocknung, Pyrolyse, Koksabbrand und homogene Reaktionen – werden individuell betrachtet und auf Basis eines bereits bestehenden CFD-Programms implementiert, welches ursprünglich für Kohleverbrennung konzipiert wurde.
Aufgrund der im Vergleich zu Kohle typischerweise größeren Partikelgrößen bei Biomasseverbrennung wird ein detailliertes Einzelpartikelmodell zur Betrachtung der Pyrolyse entwickelt. Das Modell kombiniert ein physikalisches Modell, welches den Wärme- und Massentransport im Partikel betrachtet, mit einem flexiblen detaillierten chemischen Mehrkomponenten-Ansatz. Die Trocknung der im Biomassepartikel vorhandenen Feuchtigkeit und die in den Partikelporen stattfindenden sekundären Reaktionen werden auch im Modell berücksichtigt. Ebenso wird der katalytische Effekt von Aschen betrachtet. Das detaillierte Einzelpartikelmodell ist in einem Pre-Processing-Schritt implementiert und mit dem bestehenden CFD Programm gekoppelt. Es zeigt im Vergleich zu vereinfachten Modellen deutliche Verbesserungen. Die Validierung des Modellansatzes erfolgt durch die Evaluation auf Basis von detaillierten Messergebnissen. Diese bestätigt die prinzipielle Eignung des entwickelten Modells zur Vorhersage freigesetzter Gaskonzentrationen sowie von Absolutwerten und Profilen von Temperatur und Reaktionszeit. Die Sensitivität der Modellergebnisse gegenüber bedeutsamen Modellparametern wird untersucht.
Ansätze für die Modellierung von heterogenen Reaktionen von Koksen zusammen mit spezifischen kinetischen Ansätzen für Biomassekokse werden untersucht. Oxidations- und Vergasungsreaktionen werden berücksichtigt. Homogene Reaktionen der während der Pyrolyse und Koksreaktionen freigesetzten Gase sowie ihre Interaktion mit turbulenten Strömungszuständen werden betrachtet.
In einem Standardtestfall wird das gesamte Verbrennungsmodell auf seine Plausibilität hin überprüft. Zur Validierung des gesamten Biomasseverbrennungsmodells wird eine Brennkammer im halbtechnischen Maßstab betrachtet. Der Vergleich zwischen Messwerten von Temperaturen und Gaskonzentrationen im Feuerraum und Simulationsergebnissen stellt dabei die gute Eignung des Modells zur Vorhersage von Absolutwerten und Profilen von diesen Variablen sowie die Verbesserung der Vorhersagen im Vergleich zur vorherigen Version des CFD-Programms unter Beweis.
Die Arbeit ist erschienen im Shaker Verlag.
Link: http://www.shaker.de/shop/978-3-8440-7130-6