Die RWE Generation SE betreibt in Ibbenbüren unter zunehmend schwierigeren wirtschaftlichen Randbedingungen ein Kohlekraftwerk. Möglicherweise kann zur Erhöhung des Deckungsbeitrags ein Teil der betriebsüblich eingesetzten Ibbenbürener Anthrazikohle durch Rheinische Rohbraunkohle substituiert werden. Beide Kohlen unterscheiden sich in der Ausprägung eines grundsätzlich gleichen Aufbaus aller Kohlen, was sich auf verschiedene Weise auf den Verbrennungsprozess auswirken kann. Die Aufgabe dieser Arbeit besteht darin, auf Grundlage entsprechender numerischer Strö- mungssimulationen zu erörtern, inwiefern entsprechende Kohlemischungen mit einem Feuerungs- wärmeanteil der Rheinischen Braunkohle von bis zu 40% im Dampferzeuger des Kraftwerks Ibben- büren zünden und abbrennen würden. Die Strömungssimulationen erfolgen mittels einer entsprechen- den Weiterentwicklung von AIOLOS, eines am Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart eigens zur Simulation von Kohlenstaubverbrennungsprozessen entwickelten Re- chencodes. (siehe Kapitel 1)
Zur Führung des Verbrennungsprozesses dient im Kraftwerk Ibbenbüren eine Schmelzfeuerung. Diese umfasst unter anderem acht Walzenschüsselmühlen, in denen die Kohle simultan gemahlen und getrocknet wird, ehe sie über entsprechende Brenner in zwei Feuerräume eintritt. In den Feuer- räumen bewirken die Vermischung des Kohlenstaub-Trägergas-Gemisches mit Rauchgas und der Strahlungswärmeaustausch die Umwandlung der Kohle. Hierbei entweichen zunächst adsorptiv ge- bundene Gase. Im weiteren Verlauf wandelt sich die feste Kohle, wobei verschiedene Gase entstehen, und Verbrennungsprozesse setzen ein. Die Rauchgase beider Feuerräume strömen in einen gemein- samen Strahlungsraum, an dessen Ende die Konvektivheizflächen beginnen. (siehe Kapitel 2)
Die erstellten Strömungssimulationen basieren auf der Modellierung des allgemeinen Kohlenstaub- verbrennungsprozesses. Dieser Prozess ist in der Detailtiefe der molekularen Bewegung durch jeweils eine Bilanzgleichung für die Masse eines Bestandteils, den Impuls jeder Phase, die gesamte Energie jeder Phase und die Änderung der spektralen Strahlungsdichte beschrieben. Aus diesem Gleichungs- system ist die Prozessbeschreibung in der geringeren Detailtiefe der Strömungsbewegung abgeleitet, was unter anderem eine Modellierung verschiedener, unbekannter Terme beinhaltet. (siehe Kapitel 3)
Die Modellierung des allgemeinen Kohlenstaubverbrennungsprozesses führt zu einem unterbestimm- ten Gleichungssystem. Dessen Schließung erfolgt mittels einer Modellierung verschiedener anwen- dungsspezifischer Prozessmerkmale. Hierzu zählen Randbedingungen betreffend die Ausprägung des Simulationsraumes und den Zustand der eintretenden Stoffströme wie auch Eigenschaften, die das Stoff-, Strahlungs- und Umwandlungsverhalten beschreiben. (siehe Kapitel 4)
Das resultierende Gleichungssystem ist analytisch nicht lösbar. Eine entsprechende Aufbereitung des Gleichungssystems ermöglicht die Berechnung einer Näherung des Prozesszustandes an diskreten Stellen. Die Aufbereitung umfasst die Unterteilung des Simulationsraumes in Kontrollvolumina, die Umformung der für jedes Kontrollvolumen aufgestellten Bilanzgleichungen und die Approximation von Größen an den Rändern der Kontrollvolumina. (siehe Kapitel 5)
Die Ausprägung von zwei anwendungsspezifischen Prozessmerkmalen ist nicht bekannt, weswegen ihre Festlegung auf einer entsprechenden Sensitivitätsanalyse basiert. Aufgrund dieser und weiterer Vereinfachungen ist die gesamte Vorgehensweise mit dem Ergebnis validiert, dass der Einfluss einer Mitverbrennung Rheinischer Braunkohle auf das Zünd- und Abbrandverhalten zuverlässig analysiert werden kann. Die Analyse zeigt, dass die Struktur und Lage der Flammen sich nur unwesentlich ändern, während die Wärmeaufnahme der Feuerraumwände zurückgeht. So sinkt die Wärmeauf- nahme der Feuerraumwände um 12% bei einer Mitverbrennung Rheinischer Braunkohle mit einem Feuerungswärmeanteil von 40%. Der Glühverlust am Strahlungsraumende steigt bei Mitverbrennung Rheinischer Braunkohle geringfügig an. Eine Mitverbrennung Rheinischer Braunkohle mit einem Feuerungswärmeanteil von bis zu 40% ist aus feuerungstechnischer Sicht unbedenklich, doch ist die Beeinflussung des Produktionsbetriebes insbesondere durch die sich ändernden Wärmeaufnahmen der verschiedenen Heizflächen näher zu erörtern. (siehe Kapitel 6)