Numerical Simulation of Deposit Formation in Coal-Fired Utility Boilers with Biomass Co-Combustion

Die Nutzung von fossilen Brennsto?en zur Energieerzeugung fżuhrt zur Emission von Treib- hausgasen. Dadurch entstehende Umweltschżaden kżonnen reduziert werden, indem Kohle als Energietrżager im Kraftwerk durch CO2-neutrale Biomasse ersetzt wird. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung bei der thermischen Nutzung reiner Biomasse ist allerdings noch unzu- reichend im Vergleich zur Nutzung von Kohle. Eine weitere Alternative stellt die Mitverbren- nung von Biomasse in bestehenden Kohlekraftwerken dar. Die Mitverbrennung von Biomasse fżuhrt jedoch tendenziell zu vermehrter Bildung von Ascheablagerungen auf den Ober?żachen der Wżarmeżubertrager. Die Ascheablagerungen beeintrżachtigen besonders im Bereich der żUberhitzer-Heiz?żachen die Wżarmeżubertragung vom Rauchgas in den Wasser/Dampf-Kreislauf und schrżanken dadurch den Wirkungsgrad des Dampferzeugers ein. Um diese negativen Folgen vermindern zu kżonnen, ist ein grundlegendes Verstżandnis der Bildung der Ascheablagerungen erforderlich. Vor allem der hohe Anteil an ?żuchtigem Kalium, das wżahrend der Verbrennung der Biomasse freigesetzt wird, trżagt zur Bildung von Ascheablagerungen bei. Das freigesetzte Kalium kann dabei vor oder wżahrend des Kondensationsprozesses mit Aschepartikeln reagieren. Dies fżuhrt zum Schmelzen von Aschepartikeln und damit letztlich zur Ablagerung an den Ober?żachen der Wżarmeżubertrager. Das freigesetzte Kalium kann ebenfalls auf den gekżuhlten Rohrober?żachen 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 Strżomungsmechanik (Computational Fluid Dynamics) als sehr e?zientes und zuverlżassiges Hilfsmittel dargestellt. Daher wird dieses Tool vielfach angewendet um Strżomungsfeld, Temperaturverteilung, Rauchgaszusammensetzung und Partikelbewegung in Brennkammern bei einer hohen żortlichen Au?żosung vorherzusagen. Außerdem kann darin der Ascheablagerungsprozess durch die Integration von Depositionsmodellen umfassend untersucht werden. Diese Vorgehensweise ist besonders interessant, da die Durchfżuhrung entsprechender Simulationen sowohl eine Zeitersparnis als auch eine Kostenreduktion gegenżuber rein experi- mentellen Untersuchungen ermżoglicht. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit besteht aus der Modellierung der Ablagerungsbil- dung in kohlegefeuerten Dampferzeugern bei Mitverbrennung von Biomasse. Als Schwer- punkt wurde insbesondere die Freisetzung von alkalischen Bestandteilen und deren Ein?uss auf den Aufbau der Ablagerung untersucht. Die entsprechenden Modelle wurden in den 3D Verbrennungssimulationscode AIOLOS integriert. Die Modelle zur Ablagerungsbildung wurden als Post-Processing-Schritt implementiert. Im ersten Schritt wird dabei eine Basissimulation durchgefżuhrt, die sowohl die Freisetzung der Kaliumverbindungen als auch das Strżomungs- feld sowie die Temperatur- und Konzentrationsverteilung beschreibt. Daraufhin wird der Ver- lauf einer großen Anzahl an Partikeln in der Brennkammer verfolgt bis diese entweder die Wand?żachen berżuhren und haften bleiben oder die Brennkammer mit dem Rauchgas verlassen. Die Daten die in der Basissimulation generiert wurden - wie Konzentration der Feststo?e bzw. Eigenschaften der Gasphase - werden nun als Eingangsdaten fżur das eigentliche Modell des Ablagerungsmechanismus verwendet. Sowohl heterogene als auch homogene Reaktionen werden zur Beschreibung der Alkalifreisetzung berżucksichtigt. Die heterogenen Reaktionen sind unterteilt in einen ersten Schritt der Alkalifreisetzung und eine darau?olgende 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 durchgefżuhrt. Das Modell zur Natriumfreisetzung wurde mit Hilfe von Simulationen mit einer deutschen Steinkohle als Brennsto? evaluiert. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den Messungen żuberein - 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 Brennsto? bei kurzer Verweilzeit durchgefżuhrt. Die berechnete Kaliumfreisetzung zeigt eine gute żUbereinstimmung mit den experimentellen Daten. Allerdings zeigt sich dabei auch, dass eine Reaktionsrate, die bei einem bestimmten Kohletyp gut passt, nicht auf andere Kohletypen żubertragbar ist. Unterschiedliche Aschezusammensetzungen kżonnen das Verhalten der Aschebestandteile bzgl. der Kontrolle der Alkalifreisetzung beeintrżachtigen. Was die Bildung der Ablagerungen angeht, so wird sowohl der Ein?uss der Alkalispezies auf die Haftwahrscheinlichkeit der Aschepartikel als auch der Beitrag der freigesetzten Alkalispezies zu der Ablagerungsschicht modelliert. Dabei werden zwei wesentliche Ablagerungsmecha- nismen berżucksichtigt. Dies sind das inerte Auftre?en der Kohlenstaubpartikel sowie die Kondensation der freigesetzten Alkaliverbindungen. Damit wurden Simulationen von Biomasse- Mitverbrennung in kohlegefeuerten Dampferzeugern durchgefżuhrt. 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 Temperaturpro?l gut mit den Messwerten żubereinstimmt. Gewisse Abweichungen sind auf die Unsicherheiten bei der Bestimmung der Drallzahl der Sekundżarluft zurżuckzufżuhren. 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 fżunf Grżoßenordnungen niedriger als die Kondensationsrate, die mit dem Modell nach Goldbrunner berechnet wurde. Mit Goldbrunners Modell besteht die Ablagerung żuberwiegend aus kondensierbaren Spezies. Dies stimmt allerdings nicht mit den betrachteten realen Testfżallen żuberein. Deshalb wurde das auf der Filmtheorie beruhende Modell verwendet, um die Kondensation von K2SO4 zu beschreiben. Darżuberhinaus konnte gezeigt werden, dass das Filmtheorie-Modell die Kondensationrate an den żUberhitzer-Heiz?żachen in Dampferzeugern vorhersagen kann. Dennoch wurden Abweichungen zwischen Experiment und Simulation beobachtet. Diese kżonnten auf den Ein?uß der Bildung von Aerosolen zurżuck- zufżuhren sein, was jedoch in dieser Arbeit nicht berżucksichtigt wurde.