Modelling and Simulation of SOx and NOx Formation under Oxy-Coal Combustion Conditions

Dissertation von Michael Müller
Universität Stuttgart, 2015

Die Oxy-fuel-Verbrennung gilt als eine Möglichkeit, um den Ausstoß von Treibhausgasen aus Kohlekraftwerken mit Hilfe des Carbon Capture & Storage-Konzepts zu verringern. Die veränderte Zusammensetzung der Verbrennungsatmosphäre unter Oxy-fuel-Bedingungen im Vergleich zur konventionellen Verbrennung wirkt sich sowohl auf das Verbrennungsverhalten als auch auf Stoffeigenschaften des Rauchgases aus. In der Arbeit werden Modelle zur Beschreibung der SOx- und NOx-Bildungsmechanismen im Oxy-fuel-Verbrennungsprozess entwickelt, die im Rahmen numerischer Strömungssimulationen (CFD) anwendbar sind. Der Einsatz von Schadstoffmodellen erfolgt gewöhnlich in einem post-processing Schritt beruhend auf den Ergebnissen einer Verbrennungssimulation. Für die Validierung der Schadstoffmodelle ist demzufolge eine hohe Genauigkeit der zugrunde liegenden Verbrennungssimulationsergebnisse unerlässlich. Daher ist ein Teil der Arbeit der Turbulenzmodellierung gewidmet, die einen wesentlichen Einfluss auf die Vorhersagegenauigkeit des Strömungsverlaufs speziell im Brennernahbereich ausübt. Der Vergleich verschiedener Turbulenzmodelle zeigt insbesondere im Fall von Drallflammen, dass die Wahl des Turbulenzmodells die Ergebnisqualität der Verbrennungssimulation (und damit auch der nachfolgenden Schadstoffsimulation) nennenswert beeinflusst.

Weil die SOx- und NOx-Bildungsmechanismen unter Oxy-fuel-Bedingungen im Prinzip ähnlich wie unter Luftbedingungen ablaufen, erscheinen bestehende Schadstoffmodelle, die für konventionelle Kohleverbrennung entwickelt wurden, gleichermaßen geeignet für die Anwendung bei der Oxy-fuel-Verbrennung zu sein. Um die Modellierungsgüte zu erhöhen und möglichst verlässliche Ergebnisse bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu erzielen, werden die vorgeschlagenen globalen Reaktionsmodelle zur SOx- und NOx-Bildung weiterentwickelt und um zusätzliche Reaktionspfade ergänzt. Dabei folgen beide Modelle einem einheitlichen Konzept und berücksichtigen die Teilschritte: Freisetzung von kohlegebundenem Schwefel bzw. Stickstoff, konkurrierende Reaktionen in der Gasphase und Reduktion über Feststoffreaktionen.

Zur Modellvalidierung werden ein Flugstromreaktor und eine Brennkammer im halbtechnischen Maßstab betrachtet. Der Vergleich zwischen Messwerten und Simulationsergebnissen bestätigt die prinzipielle Eignung der entwickelten Modelle zur Vorhersage von Absolutwerten und Profilen der wesentlichen Schadstoffspezies unter Luft- wie Oxy-fuel-Bedingungen. Abweichungen der Konzentrationsverläufe charakteristischer Zwischenprodukte in der Hauptverbrennungszone sind auf die Anwendung vereinfachter globaler Reaktionsmechanismen zurückzuführen. Die Auswirkungen der rezirkulierten Schadstoffspezies unter Oxy-fuel-Bedingungen sowie von gestufter Verbrennungsführung werden im Modell richtig wiedergegeben. Besonders gute Übereinstimmung wird bei den Schadstoffkonzentrationen am Brennkammerende erzielt.

Die Arbeit ist erschienen im Shaker Verlag.

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