Mineralumwandlung (Kapitel 5)

Abstract

Die derzeitigen Methoden zur Verschlackungsvorhersage bei kohlenstaubgefeuer¬ten Dampferzeugern sind nicht zuverläs-sig. Deswegen wird in dieser Arbeit ein neuer Weg zur genau-eren Vorhersage dieses Prozesses mit Hilfe von Computersi-mulationen vorgestellt. Die Verschlackung im Brennraum ist ein komplexer Prozeß und der physikalisch-chemische Hintergrund wurde bisher noch nicht vollständig geklärt. Bis jetzt sind nur wenige Untersuchungen durchgeführt worden, die als Basis für eine Modellierung dienen könnten. Darum wurden am IPTC der TU Braunschweig 112 Untersuchungen mit fortschrittlicher Meß-ausstattung (REM/EDX, Mössbauerspektrometer, Infrarot-spektroskop, TGA/DTA u.a.) durchgeführt. In diesen Unter-suchungen wurden die kinetischen Eigenschaften von 20 Mineralmischungen unter Brennkammerbedingungen ge-messen. Als Teil dieser Arbeit wurden Multikorrelationen gefunden, die bei den untersuchten Mineralsystemen Umwandlungs- oder Reaktionsraten und mathematische Modelle für die Massenumsätze bestimmen. Die Zahl der bedeutsamen Reaktionen von Mineralien bzw. Mineral-mischungen, die die Verschlackung bestimmen, ist größer als die Zahl der untersuchten Stoffe. Darum wurden für zusätz-liche Stoffe mathematische Modelle aus gut dokumentierten Messungen in die Arbeit einbezogen. Insgesamt wurden für 58 Mineralienumwandlungen mathematische Modelle und der daraus resultierende Programmcode TRAMIK entwickelt. Die Modellierung der Umwandlung von Mineralpartikeln erfor-dert die Verknüpfung des Programms TRAMIK zur Berech-nung der Kohlemineralumwandlung mit dem Brennkammer-berechnungsprogramm FLOREAN. Dabei ist die Berechnung der Verschlackungsprognose in drei Arbeitsabschnitte unterteilt: Im ersten Schritt werden durch Brennraumsimulation die Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfelder in der Gasphase ermittelt, im zweiten die Partikelbahnen mit den ent¬sprechenden Temperaturen, Geschwindigkeiten, Verweilzeiten, Pyrolyse, Abbrandver-halten und weiteren Parametern. Im dritten Berechnungsabschnitt werden drei Postprozessoren mit unterschiedlichen Aufgaben verwendet. Der Postprozessor TRAMIK bestimmt entlang jeder Partikelbahn, Umwand¬ lungsart und -rate der Kohlemineralien. Für vorgegebene Parameter der Gasumgebung von Partikeln berechnet das Programm unter nichtstationären Bedingungen und bei chemi¬schem Ungleichgewicht die Umwandlung der Mineral-komponenten innerhalb reiner Asche¬partikel. Dabei kann das Programm auch zu jedem Zeitpunkt Daten über Aggregat-zustand und Zusammensetzung der Aschepartikel ausgeben. Die kinetischen Modelle werden, in Abhängigkeit von Gas-temperatur und Gaszusammensetzung, im Brennraum über verschiedene Pfade gesteuert, was schließlich zu Umwand-lungsketten führt. Der Zusammenhang zwischen der brenn-baren Substanz innerhalb der Kohlepartikel und den Minera-lien während der Verbrennung (interessant in der ersten Flugphase der Partikel) wird mit einem eigenen Kohle–Mineral–Modell beschrieben. Ein zweiter Postprozessor ermittelt die Ablagerungsmassen- stromdichte (kg/m2•s) auf den Brennkammerwandflächen, auch für einzelne Mineralphasen. Der dritte graphische Postprozessor stellt die Ergebnisse aus allen Berechnungs-phasen in Form von 2D- und 3D-Bildern und Diagrammen dar. Um die Realisierbarkeit der Verschlackungsvorhersage durch Kopplung von FLOREAN mit TRAMIK und den eingebauten Modellen zu testen, wurden zwei Beispiele simuliert: eine Versuchsbrennkammer mit einer Leistung von 1,82 MW und der Feuerraum eines Braunkohlen staubgefeuerten Dampferzeugers mit der elektrischen Leistung von 600 MW.