Wolf, Christian:

Erstellung eines Modells der Verbrennung von Abfall auf Rostsystemen unter besonderer Berücksichtigung der Vermischung : ein Beitrag zur Simulation von Abfallverbrennungsanlagen

Duisburg-Essen (2005), IV, 162 Bl.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Dissertation
Abstract:
Bei der Projektierung und der Optimierung von Abfallverbrennungsanlagen mit Rostsystemen nimmt der Einsatz von computerunterstützten Methoden zu. Dabei erreicht die Simulation der Strömungszustände (CFD-Modellierung; Computational Fluid Dynamics) aktuell einen besonderen Stellenwert, da viele Betriebsprobleme eng mit Strömungsphänomenen verwoben sind. Der Vorgabe von hinreichend genauen brennbettseitigen Randbedingungen zur Parametrierung der CFD-Modelle kommt dabei eine große Bedeutung zu, um eine Übertragbarkeit der Ergebnisse in die Praxis zu gewährleisten. Dafür bereits bestehende Modelle zur Erzeugung dieser Randbedingungen weisen aber vielfach Vereinfachungen auf. Als Ergebnis der vorgelegten Arbeit ist eine Modellvorstellung formuliert und validiert worden, die in der Lage ist, auf Basis der aktuell verfügbaren Erkenntnisse sowie Möglichkeiten und in Verbindung mit einer Strömungssimulation, zu belastbaren Ergebnissen mit hoher Praxisrelevanz zu gelangen. Die Modellvorstellung berücksichtigt basierend auf einer Systemanalyse die wesentlichen Einflussfaktoren, wobei die Faktoren Vermischungsleistung und Transportverhalten aus technischer Sicht als am Bedeutendsten identifiziert worden sind. Die erarbeitete Modellvorstellung erweitert nun die bekannten Modellansätze dahingehend, dass die charakteristischen Merkmale der Abfallverbrennung wie beispielsweise die geometrischen Verhältnisse der Brennkammer Berücksichtigung finden. Ergänzend dazu wird eine dreidimensionale Abbildung eingeführt, um auch in der Rosttiefe (bzw. –breite) Temperatur- und Konzentrationsprofile nachbilden und realisieren zu können. Die Überprüfung der Verfügbarkeit von notwendigen Parametern ergab dabei, dass es zahlreiche zu nutzende (teilweise empirische) Teilmodelle gibt, die einbezogen werden können. Die Implementierung der Modellvorstellung in eine Entwicklungs- und Lösungsumgebung wurde in Microsoft® EXCEL® vorgenommen. Damit wird die Anforderung erfüllt, dass das Modell transparent ein- und übersehbar ist. Zudem verfügt das Programm über unterstützende Ressourcen, die eine Programmierung und Lösung der Modellgleichungen erleichtern. Ergänzend wird auch die Visualisierung der Ergebnisse erleichtert. Die Verknüpfung der Modellvorstellung mit einem CFD-Modell findet dabei über einen zeitlich versetzten Austausch von benötigten Parametern statt, bei dem die jeweiligen Modelle ohne kontinuierliche Verknüpfung berechnet werden. Eine abschließende Parameterstudie wichtiger Designelemente von Abfallverbrennungsanlagen (Rostart, Feuerraumgestaltung, Luftüberschuss) zeigt deutliche, prozessbedingte Unterschiede auf, die in der jeweiligen Ausgestaltung begründet liegen. Die Modellvorstellung prognostiziert zwar ähnliche Ergebnisse bezogen beispielsweise auf die Rostaschequalität, doch der (Prozess-)Weg dahin weist gravierende Unterschiede (beispielsweise Temperatur- und Gasspeziesfreisetzungsprofil) auf. Diese Feinheiten können für weitergehende Designansätze zur Verbesserung des allgemeinen Betriebsverhaltens genutzt werden.

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