Modellierung der Verbrennung von Braunkohle in einer Zykloidfeuerung unter Berücksichtigung der Schadstoffemissionen CO, NOX und SO2

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Für Heizwerke im Leistungsbereich von 1 bis 20 MWth kann die Zykloidfeuerung für Kommunen und Industrie eingesetzt werden. Die als Zyklonfeuerung mit trockenem Ascheabzug ausgebildete adiabate Brennkammer wird mit Lausitzer Trockenbraunkohle befeuert. Die Zufeuerung von mechanisch entwässertem Klärschlamm, Holzhackschnitzeln und Papierreststoffen ist bei Brennkammertemperaturen von max. 950 °C möglich. Unter der Verwendung eines Verbrennungsluftgemisches bestehend aus 40 Ma.-% Frischluft und 60 Ma.-% rezirkuliertem Rauchgas wird eine flammenlose Verbrennung ausgebildet.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Brennkammergesamtmodell als Werkzeug für Optimierungen, für die Unterstützung der Brennkammerauslegung und für die Bewertung von Einsatzmöglichkeiten verschiedener Brennstoffe entwickelt. Der Einsatz in der betrieblichen Leit- und Regeltechnik kommerzieller Anlagen ist auf Grund der vergleichsweise geringen Rechenzeiten ebenfalls möglich. Im Bereich von Forschungsvorhaben kann das Brennkammergesamtmodell für vertiefende Auswertungen und Parameterstudien verwendet werden.

Als reaktortechnische Schaltung wurde die Brennkammer in eine Rührkesselkaskade, bestehend aus sechs idealen Rührkesselreaktoren, aufgeteilt. Mit dem Rührkesselkaskaden-Modell wurden die formalkinetischen Teilmodelle für den Einzelkornabbrand (Shrinking-Particle-Ansatz) und für die Bildung und Minderung der relevanten Gaskomponenten mathematisch verknüpft. Das eigens entwickelte Brennkammergesamtmodell wurde in MATLAB programmiert. Für jeden Rührkesselreaktor können in axialeindimensionaler Richtung die Konzentrationen von O2, CO, CO2, HCN, NO und SO2, der Kohlenstoffumsatz, die mittlere Partikelgröße für sechs Partikelgrößenklassen sowie die mittleren Gasverweilzeiten unter der Berücksichtigung der Prozessparameter der Brennkammer berechnet werden.

Mit einer 0,5 MWth-Technikumanlage wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung von Gaskonzentrationsprofilen und zur Bestimmung des Verweilzeitverhaltens durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Lastfälle berücksichtigt und die Zusammensetzung der Verbrennungsluft variiert. Die experimentell ermittelten Daten wurden zum einen für Vergleichsrechnungen mit dem Brennkammermodell und zum anderen für die Bestimmung des Verweilzeitverhaltens der realen Brennkammer verwendet.
Für das Einzelkornabbrandmodell wurden die reaktionskinetischen Parameter Frequenzfaktor, Aktivierungsenergie und Reaktionsordnung für sechs Par-tikelgrößenklassen in einem thermogravimetrischen Analysesystem ermittelt. Die Aufgabe der Partikelproben erfolgte in den auf Reaktionstemperatur vorgeheizten Ofen der Thermowaage, so dass prozessnahe Aufheizraten realisiert wurden.

Der Vergleich der Ergebnisse aus den Simulationsrechnungen mit den experimentellen Werten zeigte eine sehr gute Übereinstimmung. Am Beispiel der 0,5 MWth-Technikumanlage wurde der Einsatz des Brennkammergesamtmodells demonstriert. Mit Hilfe von Parameterstudien zu wesentlichen Einflussgrößen erfolgte eine Analyse und Optimierung des Verbrennungsprozesses hinsichtlich der Minderung der Gaskomponenten CO, NO und SO2.