FLOREAN - Numerische Brennkammersimulation

Feuerungen
Für die Weiterentwicklung von Feuerungen werden zunehmend statt teurer Experimente Simulationen eingesetzt. Für diesen Zweck wurde am Institut das Simulationsprogramm FLOREAN (FLOw and REActioN) entwickelt, das die partiellen Differentialgleichungen der Erhaltungssätze von Energie, Impuls und Masse und den an den Reaktionen beteiligten Stoffkomponenten (Brennstoff, Sauerstoff, Abgaskomponenten, Schadstoffe) numerisch mit einem Finite-Volumen-Verfahren integriert. Der Einfluss der Turbulenz auf die Transportvorgänge wird durch das k-e-Turbulenzmodell und der Wärmeübergang durch Strahlung durch ein Sechs-Fluss Modell berechnet. Für jedes der bis zu 1 Mio Volumenelemente ist numerisch ein gekoppeltes System von 18 partiellen Differentialgleichungen einschließlich der Reaktionskinetik des Abbrandes zu lösen.
Für die Berechnungen stehen dem Institut SUN-Workstations zur Verfügung. Zur Auswertung der Ergebnisse finden umfangreiche Grafikprogramme Verwendung, u.a. zur Ausgabe des Verlaufs jeder beliebigen Berechnungsgröße in frei wählbaren Schnitten.

Wirbelschichtfeuerungen
Für die Strömungsmechanik und Verbrennung in Wirbelschichtfeuerungen wurde auch ein vereinfachtes eindimensionales Wirbelschichtmodell entwickelt, das erstmals die Korngrößenverteilung berücksichtigt. Darüber hinaus wurde auf der Basis von FLOREAN ein dreidimensionales Euler-Lagrange-Simulationsprogramm entwickelt, wobei das Bettmaterial und die Kohle nach der Lagrangeschen Methode berechnet werden. Diese Modelle liefern räumliche Temperatur-, Geschwindigkeits-, Konzentrations- und Porositätsverteilungen, die auch für die nachfolgenden Schadstoffberechnungen verwendet werden.
Die Kinetik der Schadstoffentstehung und Schadstoffeinbindung in der Wirbelschicht wird mit angepassten kinetischen Modellen simuliert.

Thermische Abfallbehandlung
Das Institut plant, das Programm FLOREAN auch auf die thermische Abfallbehandlung anzuwenden. Erste Berechnungen der Strömung im Strahlungsraum einer Abfallverbrennungsanlage wurden durchgeführt. Damit sollen auch Vorschläge zur Verbesserung der Verbrennung auf dem Rost numerisch berechnet werden können.

Verschlackung und Verschmutzung
Bei der Verbrennung fester Brennstoffe werden mineralische Bestandteile im Temperaturkonzentrationsfeld der Feuerung umgewandelt zu Schlacke und Asche. Dieser Umwandlungsprozss kann zu Verschlackungen und Verschmutzungen der Feuerraumwände und der nachfolgenden Heizflächen führen und große Probleme im Betrieb verursachen. Das Programmsystem FLOREAN bietet die Möglichkeit, Flugbahnen einer repräsentativen Anzahl (einige zehntausend) von Kohlepartikeln und die Umwandlungsvorgänge auf diesen Flugbahnen zu berechnen und dadurch genauere Vorhersagen über das Verschlackungs- und Verschmutzungsverhalten zu treffen.

Testbeispiele: (Vergleich mit analytischer Lösung bzw. Meßwerten)
 
 
Masse
Impuls
Energie
Turbulenz
Strahlung
Verbrennung
laminare Strömung im Rechteckkanal
X
X
        
turbulente Strömung im Rechteckkanal
X
X
  
X
    
Modell einer Tangentialfeuerung
X
X
  
X
    
heißer quer angeströmter Freistrahl
X
X
X
X
    
Ijmuiden-A1-Flamme Strahlbrenner
X
X
X
X
X
Steinkohle
Ijmuiden-Drallflamme (mit GT-Abgasen)
X
X
X
X
X
Steinkohle 
3 Partikelgrößen
Instituts-Versuchsstand Drallbrenner
X
X
X
X
X
Braunkohle
Brandversuchsstand
X
X
X
X
X
Gas
SNCR-Verfahren
X
X
X
X
X
  
Auftriebströmung Würfel
X
X
X
X
    

Auftragsrechnungen:
 
 
el. Leistung
(MW)
Kohle
Brenner
Feuerung
NOx
SO2
Bemerkungen
Deutschland
300
Braun
Tangential Strahlbrenner
X
  
Vergleich mit Messungen
Griechenland
300
Braun
Tangential Strahlbrenner
X
X
--"--
Griechenland
ca. 350
Braun
Tangential Strahlbrenner
X
X
--"--
Deutschland
600
Braun
Tangential Strahlbrenner
X
  
--"--
Verschlackung
Deutschland
350
Braun
Tangential Strahlbrenner
    
Brenneranstellwinkel
Verschlackung
Deutschland
350
(Öl)
nur natürliche Konvektion
beim Auskühlen
      
Deutschland
900
Braun
Tangential Strahlbrenner
X
  
ABL, Brenneranordnung
Deutschland
900
Braun
Tangential Strahlbrenner
      
Deutschland
ca. 550
Stein
Boxerfeuerung Drallbrenner
      
Japan
550
Stein
Eckenfeuerung Strahlbrenner
      
Deutschland
600
TBK
Tangential Strahlbrenner
X
  
Verschmutzung
Deutschland
ca. 150
Stein
Eckenfeuerung Drallbrenner
      
Frankreich
600
Stein
Eckenfeuerung Drallbrenner
X
    
China
600
Stein
Boxerfeuerung Drallbrenner
      
Griechenland
350
Braun
Tangential Strahlbrenner
    
TBK-Mitverbr.
Griechenland
350
Braun
Tangential Strahlbrenner
X
  
Verschlackung

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