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

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 Rohroberfl¨achen 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.