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

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Die Nutzung von fossilen Brennstoffen zur Energieerzeugung f¨uhrt zur Emission von Treib-
hausgasen. Dadurch entstehende Umweltsch¨aden k¨onnen reduziert werden, indem Kohle als
Energietr¨ager 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
f¨uhrt jedoch tendenziell zu vermehrter Bildung von Ascheablagerungen auf den Oberfl¨achen
der W¨arme¨ubertrager. Die Ascheablagerungen beeintr¨achtigen besonders im Bereich der
¨Uberhitzer-Heizfl¨achen die W¨arme¨ubertragung vom Rauchgas in den Wasser/Dampf-Kreislauf
und schr¨anken dadurch den Wirkungsgrad des Dampferzeugers ein. Um diese negativen Folgen
vermindern zu k¨onnen, ist ein grundlegendes Verst¨andnis der Bildung der Ascheablagerungen
erforderlich. Vor allem der hohe Anteil an fl¨uchtigem Kalium, das w¨ahrend der Verbrennung
der Biomasse freigesetzt wird, tr¨agt zur Bildung von Ascheablagerungen bei. Das freigesetzte
Kalium kann dabei vor oder w¨ahrend des Kondensationsprozesses mit Aschepartikeln reagieren.
Dies f¨uhrt zum Schmelzen von Aschepartikeln und damit letztlich zur Ablagerung an den
Oberfl¨achen der W¨arme¨ubertrager. Das freigesetzte Kalium kann ebenfalls auf den gek¨uhlten
Rohrober߬achen 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 Str¨omungsmechanik (Computational Fluid Dynamics) als sehr effizientes
und zuverl¨assiges Hilfsmittel dargestellt. Daher wird dieses Tool vielfach angewendet um
Str¨omungsfeld, Temperaturverteilung, Rauchgaszusammensetzung und Partikelbewegung in
Brennkammern bei einer hohen ¨ortlichen Aufl¨osung vorherzusagen. Außerdem kann darin der
Ascheablagerungsprozess durch die Integration von Depositionsmodellen umfassend untersucht
werden. Diese Vorgehensweise ist besonders interessant, da die Durchf¨uhrung entsprechender
Simulationen sowohl eine Zeitersparnis als auch eine Kostenreduktion gegen¨uber rein experi-
mentellen Untersuchungen erm¨oglicht.
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 Einfluss
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
durchgef¨uhrt, die sowohl die Freisetzung der Kaliumverbindungen als auch das Str¨omungs-
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
Wandfl¨achen ber¨uhren und haften bleiben oder die Brennkammer mit dem Rauchgas verlassen.
Die Daten die in der Basissimulation generiert wurden – wie Konzentration der Feststoffe bzw.
Eigenschaften der Gasphase – werden nun als Eingangsdaten f¨ur das eigentliche Modell des
Ablagerungsmechanismus verwendet.
Sowohl heterogene als auch homogene Reaktionen werden zur Beschreibung der
Alkalifreisetzung ber¨ucksichtigt. Die heterogenen Reaktionen sind unterteilt in einen ersten
Schritt der Alkalifreisetzung und eine darauffolgende 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 durchgef¨uhrt. Das Modell zur Natriumfreisetzung wurde mit Hilfe von Simulationen
mit einer deutschen Steinkohle als Brennstoff evaluiert. Die Simulationsergebnisse stimmen
gut mit den Messungen ¨uberein – 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 Brennstoff bei kurzer
Verweilzeit durchgef¨uhrt. Die berechnete Kaliumfreisetzung zeigt eine gute ¨Ubereinstimmung
mit den experimentellen Daten. Allerdings zeigt sich dabei auch, dass eine Reaktionsrate,
die bei einem bestimmten Kohletyp gut passt, nicht auf andere Kohletypen ¨ubertragbar ist.
Unterschiedliche Aschezusammensetzungen k¨onnen das Verhalten der Aschebestandteile bzgl.
der Kontrolle der Alkalifreisetzung beeintr¨achtigen.
Was die Bildung der Ablagerungen angeht, so wird sowohl der Einfluss der Alkalispezies auf
die Haftwahrscheinlichkeit der Aschepartikel als auch der Beitrag der freigesetzten Alkalispezies
zu der Ablagerungsschicht modelliert. Dabei werden zwei wesentliche Ablagerungsmecha-
nismen ber¨ucksichtigt. Dies sind das inerte Auftreffen der Kohlenstaubpartikel sowie die
Kondensation der freigesetzten Alkaliverbindungen. Damit wurden Simulationen von Biomasse-
Mitverbrennung in kohlegefeuerten Dampferzeugern durchgef¨uhrt. 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 Temperaturprofil gut
mit den Messwerten ¨ubereinstimmt. Gewisse Abweichungen sind auf die Unsicherheiten
bei der Bestimmung der Drallzahl der Sekund¨arluft zur¨uckzuf¨uhren. 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 f¨unf Gr¨oßenordnungen niedriger als die Kondensationsrate,
die mit dem Modell nach Goldbrunner berechnet wurde. Mit Goldbrunners Modell besteht
die Ablagerung ¨uberwiegend aus kondensierbaren Spezies. Dies stimmt allerdings nicht mit den
betrachteten realen Testf¨allen ¨uberein. Deshalb wurde das auf der Filmtheorie beruhende Modell
verwendet, um die Kondensation von K2SO4 zu beschreiben. Dar¨uberhinaus konnte gezeigt
werden, dass das Filmtheorie-Modell die Kondensationrate an den ¨Uberhitzer-Heizfl¨achen in
Dampferzeugern vorhersagen kann. Dennoch wurden Abweichungen zwischen Experiment und
Simulation beobachtet. Diese k¨onnten auf den Einfluß der Bildung von Aerosolen zur¨uck-
zuf¨uhren sein, was jedoch in dieser Arbeit nicht ber¨ucksichtigt wurde.