Berichte aus Energie- und Umweltforschung 31/2003
Abbrand- und NOx-Simulation für Biomassefeuerungen

Im Rahmen des beantragten Projektes wurden am Institut für Institut für Ressourcenschonende und Nachhaltige Systeme (RNS), Technische Universität Graz, bestehende Modelle zum Abbrandverhalten von Biomassefeuerungen weiterentwickelt und verbessert. Es wurden des weiteren zwei verschiedene Postprozessoren zur Berechnung der NOx-Bildung in Biomasse-Rostfeuerungen nach vorher durchgeführter CFD-Simulation der turbulenten reaktiven Feuerraumströmung entwickelt.

Um die komplexen physikalischen und chemischen Prozesse beim Abbrand einer Biomasse- Schüttschicht in Rostfeuerungen näherungsweise zu beschreiben, wurde ein empirisches Abbrandmodell entwickelt. Das Modell berechnet die Umsetzung des Brennstoffes durch zwei Schritte, den Abbau der Brennstoffkomponenten (C, H, O, N und Wasser) sowie die Umwandlung der Brennstoffkomponenten in verschiedene Spezies des in den Feuerraum entweichenden Rauchgases. Die empirischen Modellparameter wurden aus Literaturdaten und anhand von Abbrandversuchen in einem Laborreaktor mit dem Brennstoff Spanplatten ermittelt. In einem weiteren Schritt wurde das Modell durch Abbrandversuche mit den Brennstoffen Rinde und Altholz verifiziert und eine Anpassung brennstoffspezifischer Modellparameter (vor allem hinsichtlich der Stickstoff-Freisetzung) vorgenommen. Durch das empirische Abbrandmodell werden Profile der Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsverteilung über der Oberfläche des Brennstoffbettes berechnet, die als Eingangsparameter für eine weiterführende Modellierung der Gasphase dienen.

Die detaillierte Modellierung von NOx-Reaktionen in Verbrennungssystemen erfordert eine Simulation der turbulenten Strömung und der Reaktionskinetik. Unter der Annahme, dass NSpezies in kleinen Konzentration in der reagierenden Strömung vorliegen und deshalb keinen wesentlichen Einfluss auf das Strömungsbild haben, kann eine Simulation der NOx-Bildung im Postprozessor-Modus auf Basis der vorher durchgeführten CFD-Simulation (Strömung und Verbrennung) erfolgen. Im Rahmen dieses Projektes wurden zwei NOx-Postprozessor- Ansätze zur Optimierung von Biomasse-Rostfeuerungen mittels Parameterstudien mit Unterschieden in Detailliertheitsgrad und Berechnungszeit-Bedarf entwickelt, wobei beide Ansätze auf detaillierter NOx-Kinetik basieren, da Testrechnungen mit globalen Rechnungen mangelhafte Ergebnisse erbrachten. Eine Postprozessor-Variante mit sehr kurzer Berechnungszeit (einige Minuten auf einem PC) ist ein Reaktorverschaltungs-Modell auf Basis einer CFD-Simulation des Strömungs- und Temperaturfeldes in der Feuerung. Dieses Modell wurde für Testrechnungen für eine Versuchsanlage sowie eine umfangreiche Fallstudie im Rahmen des gekoppelten FFF-Projektes Nr. 804089 eingesetzt und führte zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Dieses Modell lässt sich für eine schnelle Vorabschätzung von Trends hinsichtlich zu erwartender NOx-Emissionen von Biomasse-Feuerungen einsetzen.

Als wesentliche Verbesserung verglichen mit diesem Modell wird mit dem neuartigen, aber wesentlich aufwändigeren CFD-NOx-Postprozessor auf Basis eines Eddy Dissipation Concepts in Kombination mit detaillierter Reaktionskinetik (Kilpinen 92) auch eine detaillierte, räumlich aufgelöste, Behandlung der turbulenten, reagierenden Strömung im Feuerraum sowie der Wechselwirkung von Turbulenz und Reaktionskinetik ermöglicht. Mit diesem Modell konnten im Rahmen erster Testrechnungen qualitativ und quantitativ sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Aber trotz der Tatsache, dass der ISAT-Algorithmus zur adaptiven Laufzeit-Tabellierung des chemischen Reaktionssystems eingesetzt wurde, um Berechnungszeit-Bescheunigungen um einen Faktor bis zu 100 zu erzielen, benötigt eine Berechnung mit diesem Postprozessor auf 4-6 marktüblichen PC's 2 - 10 Tage, je nach Größe des geometrischen Berechnungsmodells. Aus diesem Grund wird für zukünftige Berechnungen empfohlen, vorerst einen reduzierten Mechanismus einzusetzen, wodurch eine signifikante Berechnungszeit-Reduktion ohne wesentlichen Genauigkeits- bzw. Informationsverlust ermöglicht wird. Im Zuge des parallel laufenden FFF-Projektes Nr. 804089 sind mit dem neuen CFD-NOx-Postprozessor in Kombination mit detaillierter Reaktionskinetik entsprechende Fallstudien und Vergleiche von vorgenommenen Messungen an Realanlagen mit Simulationsrechnungen vorgesehen, um das Modell zu prüfen.