Bauteil 50: Kohlevergaser

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Bauteil 50: Kohlevergaser

Vorgaben

Leitungsanschlüsse
1	Oxidationsmittel - Eintritt
2	Rohgas - Austritt
3	Wasser-/Dampfeintritt
4	Kohleeintritt
5	Ascheabzug

Allgemeines Vorgabewerte Kennlinien Verwendete Physik Bauteilform Beispiel

Allgemeines

Das Bauteil simuliert die chemische Umwandlung im Reaktor einer Kohlevergasungsanlage unter Auslegungs- und Teillastbedingungen.

Im Nennlastpunkt liefert das Modell die adiabate Austrittstemperatur und die Vergasungsprodukte unter Berücksichtigung der Randbedingungen

Eigenschaften der Kohle (Bestandteile, Heizwert)
O/C-Verhältnis (Kohle und Oxidatorstrom kann alternativ eingegeben werden)
Verhältnis von Dampf zu Kohle (ein Dampfmassenstrom kann alternativ eingegeben werden)

Für Teillast wird die Berechnung analog zur Auslegungsrechnung ausgeführt, allerdings mit dem Unterschied, dass lastabhängige Kennlinien verwendet werden.

Für die Simulation des Gesamtsystems "Vergaser" muss ein Hochtemperaturwärmetauscher für die Beschreibung des Reaktorwandkühlung verwendet werden.

Das Reaktormodell erlaubt die Simulation von

Flugstaubvergaser oder
Wirbelschichtvergaser

Festbettvergaser können nur näherungsweise beschrieben werden, da wegen der niedrigen Temperatur die Umwandlungsbilanz nicht gebildet werden kann und höhere Kohlenwasserstoffe entstehen, die nicht in der Rohgasbibliothek enthalten sind.

Modell

Das Modell des Kohlevergasers besteht aus zwei Teilmodellen:

dem Reaktor zur Berechnung der Rohgasbestandteile und der Austrittstemperatur und
dem Hochtemperaturwärmetauscher zur Simulation der Reaktorwandkühlung.

Im folgenden beschränkt sich die Beschreibung auf den Reaktor; der Hochtemperaturwärmetauscher (Bauteil 51) wird entsprechend den bekannten Wärmetauscher-Bauteilen (Bauteil 26) behandelt.
Eine zusätzlich Strahlungs-Kennlinie erlaubt jedoch eine realitätsnähere Berücksichtigung von Strahlungswärmeübertragung.

Das Reaktormodell basiert im wesentlichen auf der Annahme, dass die Wassergasumwandlungsbilanz

KP(T) = CO H2O/(CO2 H2) gilt.

Dies ist für Vergasersysteme mit Betriebstemperaturen zwischen 1472 bis 1652 °C eine gute Näherung, so dass Flugstaub- und Wirbelschichtvergaser für eine Simulation zugänglich sind. Es gibt drei Methoden zur Berechnung der Umwandlungskonstanten.

Für die KP-Berechnung wird die adiabate Austrittstemperatur verwendet.
Eine Reaktionstemperatur, die für die Berechnung von KP verwendet wird, kann durch Spezifikationswerte vorgegeben werden. (Umwandlungstemperatur: Grenztemperatur, unterhalb der keine Reaktion stattfindet)
KP kann direkt als Spezifikationswert eingegeben werden. Es ermittelt gemessene Konzentrationen.

Unabhängig von diesen Vereinfachungen erfordert die Berechnung des Reaktorprozesses fünf weitere Grenzwerte, die auf Erfahrung oder Messungen basieren.

Dies sind:

Wirkungsgrad der Kohlenstoffvergasung
CH4-Konzentration
Schwefelumwandlungsverhältnis zu H2S bzw. COS
Ascheaufteilung (Verhältnis von Flugstaub zu Gesamtasche)
Kohlenstoff Konzentrationen in der Asche

Die zugeführten und abgezogenen Massenströme können auf zwei Arten vorgegeben werden:

Eingabe des O/C-Verhältnis zwischen Oxidator und Kohle und des Dampf/Kohle-Verhältnisses. Aus der Ascheaufteilung, die vorgegeben werden muss, ergibt sich der Aschemassenstrom. Der Rohgasmassenstrom wird aus der Gesamtbilanz berechnet. Bei Verwendung einer geschlossenen Lösungsmethode ist als einzige Eingabe ein absoluter Massenstrom erforderlich.
Eingabe der drei Massenströme für Kohle, Oxidator und Dampf; Berechnung des Aschemassenstroms aus der Ascheaufteilung und dem Rohgasmassenstrom aus der Bilanz für jeden Massenstrom.

In Teillast wird dasselbe Modell verwendet mit dem Unterschied, dass der

Umsetzungsgrad der Kohlenstoffvergasung
die CH4-Bildung und
die Umwandlungskonstante

als lastabhängige Kennlinien festgelegt sind.

Bei den Vergaser-Bauteilen werden folgende neue Ergebniswerte ausgewiesen: RFA, RFAST, EQRAT

Vorgabewerte

DP12N	Absoluter Druckverlust (nominal)
ROCN	Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis
RWM4N	Wasser-Dampf/Kohle-Verhältnis
RFLAS	Flugascheverhältnis
RCFA	Verhältnis C (Flugasche) / C (Flugasche und Asche)
RGASN	Wirkungsgrad der Kohlenstoffvergasung (nominal)
RCCH4N	C in CH4 / C Gesamtverhältnis (nominal)
RSH2SN	S in H2S / S Gesamtverhältnis (nominal)
CWGS	Wassergasumwandlungskonstante
TFRE	Einfriertemperatur der Umwandlungsreaktion
TASHE	Aschetemperatur
FMODE	Berechnungsmode Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: GLOBAL =1: Lokale Teillast
FSFT	Berechnung der Umwandlungsreaktion Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =1: berechnet Umwandlungsreaktion bei Temperatur T2 =2: berechnet Umwandlungsreaktion bei TFRE =3: berechnet Umwandlungsreaktion bei Eingabe CWGS
FMAS	Schalter für Berechnungstyp der Massenbilanz Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =1: Vorgabe 1 Massenstrom von M1/M2/M3/M4 =2: Vorgabe 3 Massenströme von M1/M2/M3/M4
M1N	Massenstrom des Oxidationsmittels (nominal)

Die blau markierten Parameter sind Referenzgrößen für den Teillastmodus. Die Ist-Teillastwerte beziehen sich in den verwendeten Gleichungen auf diese Größen.

Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.

Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte

Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen

Ergebnisse

ROC	Sauerstoff zu Kohlenstoff Verhältnis
RWM4	Dampf zu Kohle Verhältnis
RCWGS	Berechnete Wassergas -Shiftkonstante
RGAS	Kohlenstoffvergasungsgrad
RCCH4	CH4-Bildung (C in CH4 zu Gesamt-C)
RSH2S	H2S-Bildung (S in H2S zu Gesamt-S)
NCVCG	Rohgas-Heizwert bei 0°C
NCVCOAL	Kohle-Heizwert bei 0°C
RQCGC	Energieverhältnis von Rohgas / Kohle
RFA	Verhältnis Brennstoff- zu Luft-Massenstrom
RFAST	Stöchiometrisches Verhältnis Brennstoff zu Luft-Massenstrom (d. h. das für vollständige Verbrennung erforderliche Verhältnis)
EQRAT	Äquivalenzverhältnis = RFA / RFAST (gemäß https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/equivalence-ratio). Ein Äquivalenz-Verhältnis EQRAT größer als eins weist immer auf einen Brennstoffüberschuss im Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisch hin, also mehr Brennstoff als für eine vollständige Verbrennung (stöchiometrische Reaktion) erforderlich wäre, unabhängig davon, welcher Brennstoff und welches Oxidationsmittel verwendet werden, während Verhältnisse kleiner als eins auf einen Brennstoffmangel oder einen äquivalenten Oxidationsmittelüberschuss im Gemisch hinweisen. Es ist zu beachten, dass sich das Äquivalenzverhältnis wie folgt auf die Luftzahl λ bezieht: λ = 1 / EQRAT.

Kennlinien

Kennlinie 1, CCSL: C-Grad der Vergasungskennlinie RGAS/RGASN = f (M1/M1N)

     X-Achse     1         M1/M1N                     1. Punkt
                        2         M1/M1N                      2. Punkt
                        .
                      N         M1/M1N                     letzter Punkt

    Y-Achse       1         RGAS/RGASN          1. Punkt
                       2         RGAS/RGASN          2. Punkt
                         .
                         N        RGAS/RGASN            letzter Punkt

Kennlinie 2, CCH4: CH4-Umwandlungs-Kennlinie, CH4-Produktion, RCCH4/RCCH4N = f (M1/M1N)

    X-Achse      1         M1/M1N                     1. Punkt
                        2          M1/M1N                    2. Punkt
                        .
                      N         M1/M1N                    letzter Punkt

    Y-Achse    1          RGAS/RGASN          1. Punkt
                        2          RGAS/RGASN          2. Punkt
                        .
                        N         RGAS/RGASN           letzter Punkt

Kennlinie 3, CH2S: H2S-Umwandlungs-Kennlinie, E1-A3 Kennlinie, RSH2S/RSH2SN = f (M1/M1N)

    X-Achse      1          M1/M1N                     1. Punkt
                        2          M1/M1N                     2. Punkt
                        .
                      N         M1/M1N                     letzter Punkt

    Y-Achse      1          RSH2S/RSH2SN         1. Punkt
                        2          RSH2S/RSH2SN         2. Punkt
                        .
                        N         RSH2S/RSH2SN         letzter Punkt

Verwendete Physik

Gleichungen

Alle Betriebsfälle

Elementare Bestandteile

---------------------------------------

Berechnung der elementaren Massenbestandteile EL4

C,H,O,N,S,CL,AR,Asche,Kalk
der Kohle

Berechnung der elementaren Massenbestandteile EL1

C,H,O,N,S,CL,AR,Asche,Kalk
des Oxidatators

Verschiedene Lastfälle

------------------------------

wenn FMAS = 1 (Berechnung der Massenströme durch ROCN und RWM4N) , dann

{ M3M4= RWM4N
M1M4 = f(ROCN) }

wenn FMAS = 2 (Eingabe der Massenströme durch M1,M3,M4), dann

{ M3M4 = M3/M4
M1M4 = M1/M4 }

wenn FSFT=1 (Umwandlungskonstante bei T2), dann

{ SH = A*EXP(-B/(T2+273.15)) }

wenn FSFT =2 (Umwandlungskonstante bei TFRE), dann

{ SH = A*EXP(-B/(TFRE+273.15)) }

wenn FSFT =3 (Umwandlungskonstante für CWGS), dann

{ SH = CWGS }

Berechnung der Bestandteile in Rohgas und Asche

-------------------------------------------------------------------------------------------------

Aschebildung
ZA= EL4_ASH*RFLAS
SA = EL4_ASH*(1-RFLAS)

C-Vergasung
CV = EL4_C * RGASN

verbleibender Kohlenstoff in Rohgas und Asche
ZC = EL4_C*RCFA* (1-RGASN)
SC = EL4_C*(1-RCFA)*(1-RGASN)

CH4-Anteil im Rohgas
ZCH4= EL4_C*RCCH4N*MCH4/MC

H2S-Anteil im Rohgas
ZH2S = EL4_S * RSH2SN *MH2S/MS
ZCOS = EL4_S * (1-RSH2SN)*MH2S/MS

HCL-Anteil im Rohgas
ZHCL = EL4_CL* MHCL/MCL

N2-Anteil im Rohgas
ZN2= EL4_N+EL1_N*M1M4

AR-Anteil im Rohgas
ZAR= EL4_AR+EL1_AR*M1M4

O2-Anteil im Rohgas
ZO2= 0

Lösung der Reaktionsgleichung

------------------------------------------------------

Die 4 Bestandteile im Rohgas
        ZCO2
        ZCO
        ZH2
        ZH2O w

werden berechnet aus

        der Umwandlungsbilanz SH = CO2*H2 / (CO*H2O),
        der C-Bilanz,
        der H-Bilanz,
        der O-Bilanz

Berechnung der Rohgasbestandteile

------------------------------------------------------

ZSUM = ZN2+ZO2+ZAR+ZH2O+ZCO2+ZCO+ZCOS+ZH2+ZH2S+ZCH4+ZHCL+ZC+ZA

d2tod4 =ZSUM

XN2 = ZN2/ZSUM
XO2 = ZO2/ZSUM

etc.

Berechnung der Aschebestandteile

-----------------------------------------------------

ASUM = SA+SC
M5/M4 =ASUM

A = SA/ASUM
C = SC/ASUM

Gleichungen für Druck

==============================

F    = 1.0
F    = (M1/M1N) ** 2            für GLOBAL = Teillast
DP12 = DP12N * F
P2   = P1 - DP12                                     ( 1)
P4   = P1                                                ( 2)
P3   = P1                                                ( 3)
P4   = P5                                                ( 4)

Berechnung für Enthalpie

===========================

T5   = TASHE
H5   = f(P5,T5)                                          ( 5)
M2   = M1 + M3 + M4 - M5
H2   = (M1 * H1 + M3 * H3 + M4 *(H4+NCV4) - M5 * H5)/M2 - NCV2           ( 6)

Berechnung für Massenstrom

============================

M1    = M1M4 * M4                                      ( 7)
M2    = M2M4 * M4                                      ( 8)
M3    = M3M4 * M4                                      ( 9)
M5    = M5M4 * M4                                      (10)

Bauteilform

Form 1

Beispiel

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Siehe auch

Brennkammern und Reaktoren

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