Bauteil 90: Dampferzeuger, Reaktionszone

 Vorgaben

 

Allgemeines       Vorgabewerte       Kennlinien       Verwendete Physik       Bauteilform       Beispiel

 

Allgemeines

Modul 90 erlaubt zusammen mit Bauteil 89 (Dampferzeuger, Hauptheizfläche) bzw. 91 (Dampferzeuger, Nebenheizfläche) die geometriebehaftete Darstellung der Verbrennungsvorgänge und des Wärmeübergangs in einem Dampferzeugerfeuerraum.

Modul 90 stellt eine Rauchgaszone mit Verbrennung dar, die eine Hauptheizfläche (Bauteil 89) enthalten kann. Dazu muss PIN 3 der Verbrennungszone (Bt. 90) mit PIN 3 einer Hauptheizfläche (Bauteil 89) verbunden sein. Zusätzlich kann die Abstrahlung des Rauchgasvolumens in die Zone zu der vorhergehenden oder nachfolgenden Heizfläche (Bauteil 89) berücksichtigt werden. Dazu wird PIN 7 mit PIN 5 der Hauptheizfläche (Bauteil 89) in der Vorgänger-Rauchgaszone und entsprechend PIN 6 mit PIN 4 des Bauteils 89 in der Nachfolgerzone verbunden.

Anders als bei Bauteil 21 (Feuerraum) muss die Austrittstemperatur nicht über Nominalwert und Kennlinie vorgegeben werden, sondern ergibt sich aus der zugeführten Wärmemenge und dem Wärmeaustausch mit der Hauptheizfläche.

Bauteil 90 verhält sich hinsichtlich des Wärmeübergangs und des Strahlungsaustausches ähnlich wie Modul 88 (Dampferzeuger, Rauchgaszone), das jedoch keine Verbrennung berücksichtigt.

Die NOX- bzw. CO-Konzentration am Austritt kann über eine Kernelexpression vorgegeben werden. Dies wird über die Flags FNOCON bzw. FCOCON gesteuert:

• Bei einem Wert von 0 wird der Vorgabewert NOCON bzw. COCON verwendet
• Bei einem Wert von 1 wird die Kernelexpression ENOCON bzw. ECOCON zur Berechnung herangezogen.

Das Flag FCON steuert, ob die Konzentration als Volumenanteil oder als normierter Massenanteil (mg/Nm³) gegeben wird.

MODELL

Es berücksichtigt

• 1 den Rauchgaseintritt
• 2 den Rauchgasaustritt
• 3 den Wärmeaustausch mit der zugeordneten Hauptheizfläche
• 4 eine Aschezufuhr (in der Regel von der nachfolgenden Rauchgaszone)
• 5 den Ascheabzug
• 6, 7 einen Strahlungsaustausch mit vorhergehenden oder nachfolgenden Heizflächen
• 8 die  Luftzufuhr
• 9 die Brennstoffzufuhr
• 10 zusätzliche Brennstoffzufuhr       

Das Bauteil berechnet

H1 oder H2, M1 oder M2 wenn jeweils einer der beiden gegeben ist        

H4 oder H5, M4 oder M5 wenn jeweils einer der beiden gegeben ist        

H8 und H9 (bzw. H10) müssen gegeben sein, ebenso wie M8 und M9 (bzw. M10) oder M8 oder M9 (bzw. M10)  und das Luftverhältnis ALAM

P2 = P1 -DP12 sowie P1=P5=P8=P9=(bzw. P10) und P4=P2, d. h. einer der Drücke P1, P2, P4, P5, P8, P9 (bzw. P10) muss gegeben sein.

 

Druckabfall im Feuerraum DP12

Der Druckabfall im Feuerraum bezieht sich normalerweise auf die Druckdifferenz zwischen Eintritt und Austritt des Rauchgases. In der untersten Stufe ist allerdings noch kein Rauchgas am Eintritt vorhanden. Aber der Druck musste dort angegeben werden, um den richtigen Ausgangsdruck zu erhalten.

Hinweis: Dies wurde geändert: wenn am Rauchgas-Eintritt (Anschluss 1) keine Leitung angeschlossen ist, wird der Druck am Austritt (Anschluss 2) im Vergleich zum Luft-Eintritt (Anschluss 8) berechnet.

 

BERECHNUNGSGRUNDLAGEN 

Es wird zunächst eine Verbrennungsrechnung durchgeführt zur Ermittlung der Rauchgaszusammensetzung und der adiabaten Verbrennungstemperatur TAD (Ergebniswert).

Dazu werden die Brennstoffanteile aus Brennstoff (9), Brennstoff (10), Asche (4) und Rauchgas (1) zusammengefasst. Der verbrannte Anteil des Gesamtbrennstoffs ETABN (Verbrennungswirkungsgrad) reagiert komplett mit der Gesamtluft aus Luftzufuhr (8) und Rauchgaseintritt (1). Das Unverbrannte (1-ETABN) wird gemäß dem Parameter UBASH (Anteil Unverbranntes in der Asche) auf die Leitungen 5 (Ascheabzug) und 2 (Rauchgasaustritt) verteilt.

Eine unvollständige Verbrennung mit CO-Bildung kann durch Vorgabe der CO-Konzentration am Austritt abgebildet werden. Die Vorgabe eines Luftverhältnisses <1 ist derzeit nicht implementiert, da es zu Bauteilfehlern führt.

Die Ascheanteile aus Brennstoffzufuhr (9), (bzw. 10) und Aschezufuhr (4) werden zusammengefasst und gemäß dem Parameter RFLAN (Flugascheanteil an der Gesamtasche) auf den Rauchgasaustritt und den Ascheabzug verteilt. Der Ascheabzug erfolgt mit mindestens der durch den Parameter TASHE festgelegten Temperatur.

Es gibt mehrere Variationsmöglichkeiten zur Vorgabe des Unverbrannten:

Die Zusammensetzung des Unverbrannten kann entweder gleich der Brennstoffzusammensetzung oder als reiner Kohlenstoff gewählt werden.

Für die Vorgabe der Menge des Unverbrannten gibt es folgende Möglichkeiten:

Der Schalter FTYPUB legt grundsätzlich fest, ob

1. ETABN und UBASH oder
2. UBSL und UBFL

vorgegeben werden.       

Allerdings gibt es durch Zunahme des Parameters RFLAN noch weitere Möglichkeiten:

Mit anderen Worten: Falls man UBSL und UBFL vorgibt, muss nicht notwendigerweise RFLAN vorgegeben werden; es können stattdessen auch ETABN oder UBASH unabhängig vorgegeben werden, allerdings darf dann RFLAN nicht vorgegeben werden, da es sich ergibt.

Die Vergasung von Asche ASG kann berücksichtigt werden. Nach DIN EN 12952 ist von 5 % für Brenner- und Rostfeuerungen und 0 % für Wirbelschichtfeuerungen auszugehen.

Der Heizwert des Unverbrannten kann vorgegeben werden. DIN EN 12952 empfiehlt hier 33000 kJ/kg für Steinkohle und 27200 kJ/kg für Braunkohle. Standardmäßig berechnet EBSILON^®Professional den Wert allerdings aus der Elementaranalyse.

Der cp-Wert der Asche kann vorgegeben werden. Dies geschieht durch einen Korrekturfaktor, mit dem der berechnete cp-Wert multipliziert wird. Für Asche im Abgas und in
der Schlacke können unterschiedliche Korrekturwerte angegeben werden. Die DIN EN 12952 empfiehlt

cpSchlacke =       1,0 kJ/kgK bei Trockenfeuerung,
                            1,26 kJ/kgK bei Schmelzkammerfeuerung

cpFlugstaub =     0,84 kJ/kgK (zwischen 25 und 200 °C)

Dies entspricht Korrekturfaktoren von 1.02 bzw. 1.28 für cpSchlacke und 0.86 für cpFlugstaub (bei 200 °C)

 

Die Bilanzierung der diesen Stoffströmen zugeordneten Energieströme ergibt die Heizwerte der Ströme am Rauchgasaustritt und Ascheabzug sowie die adiabate
Verbrennungstemperatur TAD.

Die Wärmefluss der Hauptheizfläche (BT 89), die mit der Verbrennungszone verbunden ist, wird im Bauteil 89 berechnet und über die Logikleitungen an Bauteil 90 übertragen.
In Modul 90 werden zusätzlich die Strahlungsflüsse an gegebenenfalls verbundene Vorgänger und Nachfolger errechnet gemäß

QR_6 = PHI6_I*CS*EBS3_I*(1-EBS6_I)*LAMBDA*(TRADH6**4-TRADL6**4)*BEW3

QR_7 = PHI7_I*CS*EBS3_I*(1-EBS7_I)*LAMBDA*(TRADH7**4-TRADL7**4)*BEW3

Einstrahlzahlen PHI , Emissivitäten EBS und Bewertungen BEW werden in den jeweils verbundenen Modulen ausgewertet und per Logikleitungen übertragen. Die Strahlungstemperatur der strahlenden Zone ist ein gewichteter Mittelwert der adiabaten Verbrennungstemperatur TAD und der Rauchgasaustrittstemperatur T2

TRADH6=TRADH7= ALPHA_T *TAD + (1-ALPHA_T)*T2+273.15

Der Wichtungsfaktor ALPHA_T wird als Spezifikationswert unter EXTRAS->Modelleinstellungen->SIMULATION (Berechnung) eingegeben.

Die Strahlungsflüsse sind immer positiv, d. h. es erfolgt keine Einstrahlung in das Rauchgas von Heizflächen, die eine höhere Strahlungstemperatur als das Rauchgas aufweisen. Die Strahlungstemperatur der Hauptheizflächen entspricht der mittleren Wandtemperatur

TRADL6 = TWAND6

TRADL7 = TWAND7

Zur Berechnung der Emissivitäten werden wie bei Bauteil 88 die Beiträge aus Gasstrahlung und Festkörperstrahlung, die eventuell Asche- und Rußpartikel enthalten, sowie zusätzlich für feste Brennstoffe ein Beitrag von unverbrannten Brennstoffpartikeln berücksichtigt. Dazu wird ein Anteil PERCOKE des festen Brennstoffs mit einer durch die Vorgabewerte CSCOKE, DIACOKE, DISTCOKE beschriebenen Teilchenverteilung gleichmäßig auf des Volumen der Zone verteilt und mit der gleichen Formel berechnet wie der Emissivitätsanteil für die Aschebeladung.

Strahlungsverluste können wahlweise durch den relativen Verlust (DQLR) vorgegeben werden oder aus C-Faktor und der nominalen Nutzwärme berechnet werden
(DQ = C * QNMAX ^0.7, QNMAX in MW).

 

BAUTEILIDENTIFIKATION

Für Bauteil 90 gibt es keinen Identifikationsmodus.
 

GEOMETRIEDARSTELLUNG VON RAUCHGASZONEN

Die Geometrie der Ein- und Austrittsflächen der Rauchgaszone beeinflusst wesentlich die Ermittlung der Einstrahlzahlen PHI. Zur Darstellung der verschiedenen Konstruktionsarten von Dampferzeugern mit oder ohne Richtungsänderungen im Rauchgasweg sind die Spezifikationswerte OUTH und FTYP vorgesehen. Ihre Anwendung ist dem nachfolgenden Diagramm zu entnehmen.

Hinweis zum Luftverhältnis:

Mit dem Schalter FALAM wird eingestellt, ob das Luftverhältnis durch den Vorgabewert ALAMN oder durch die beiden Massenströme am Brennstoff- und Lufteintritt bestimmt
wird. In jedem Fall wird das Luftverhältnis als Ergebniswert ALAM angezeigt. Dieser Wert ALAM wird in EBSILON^®Professional durch den Luftstrom definiert, der über die
Luftleitung zugeführt wird. Wenn Luft in der Brennstoffleitung ist (was z. B. der Fall ist, wenn die Mühle in die Schaltung eingebaut ist), entspricht der Ergebniswert ALAM nicht
dem Wert des Luftverhältnisses, der von dem O2-Gehalt im Rauchgas erwartet wird.

Das Luftverhältnis, das sich aus dem O2-Gehalt des Rauchgases ergibt, wird daher im Ergebniswert ALAMT (Gesamtluftverhältnis) angezeigt. Dieser Wert ist unabhängig davon,
auf welcher Leitung die Luft zugeführt wird.

 

Hinweis zum Unverbrannten:

Der Vorgabewert ETABN (Verbrennungswirkungsgrad, nominal) bezieht sich stets nur auf feste oder flüssige Brennstoffe. Wenn man am Anschluss 9 (bzw. 10) Gas oder Rohgas anschließt, wird dieses
vollständig verbrannt. ETABN wird dann nur angewendet auf feste unverbrannte Anteile, die über den Schlacke (4)- oder Rauchgas (1)-Eintritt aus einer vorgeschalteten Brennerstufe vorhanden sein können (wenn man z. B. die vorgehende Stufe mit Kohle betreibt).

 

Hinweis -  cp-Korrekturfaktoren

Die Behandlung der cp-Korrekturfaktoren wurde bei den Bauteilen 21 und 90 vereinheitlicht. Wie bei Bauteil 90 besteht auch bei Bauteil 21 die Möglichkeit, einen
Korrekturfaktor CPSL für die Asche in der Schlacke und einen Korrekturfaktor CPFL für die Asche im Abgas (Flugasche) vorzugeben. Mit diesem Faktor wird der von
Ebsilon nach der FDBR-Formel berechnete cp-Wert multipliziert.

Die Möglichkeit, den cp-Korrekturfaktor bei der Brennstoffzusammensetzung vorzugeben und auf die Schlackeleitung überzutragen zu lassen, bestand nur beim Bauteil 21.
Dies ist (ab Release 8) auch beim Bauteil 90 möglich, indem man den Wert CPSL leer lässt. Analog wird bei leerem CPFL der Korrekturfaktor von der Luftleitung auf die
Abgasleitung übertragen.

 

Beim Bauteil 90 besteht auch die Möglichkeit, mit dem Vorgabewert ASHSPL von oben (Anschluss 4) kommende Asche auf Abgas- (Anschluss 2) und Schlackeaustritt
(Anschluss 5) aufzuteilen.
Ist der  Vorgabewert ASHSPL gleich 0, so wird die von oben kommende Asche stets komplett zum Schlackeaustritt weitergeleitet. 

Die NOX- bzw. CO-Konzentration (CO nur bei Bauteil 21 und 90) am Austritt kann über eine Kernelexpression vorgegeben werden. Dies wird über die
Flags FNOCON bzw. FCOCON gesteuert:

• Bei einem Wert von 0 wird der Vorgabewert NOCON bzw. COCON verwendet,

• bei einem Wert von 1 wird die Kernelexpression ENOCON bzw. ECOCON zur Berechnung herangezogen.

Das Flag FCON steuert wie bzw. ob die Konzentration als Volumenanteil (mol/mol)oder als normierter Massenanteil (mg/Nm³) gegeben wird. 

Folgende zusätzliche Ergebniswerte werden berechnet und angezeigt:

• Volumenbelastung (Ergebniswert VLOAD)
• Querschnittsbelastung (Ergebniswert ALOAD)
• Wärmeeintrag (gesamt) (Ergebniswert QTHIN)

 

Direktentschwefelung

Durch Zugabe von Kalk in die Brennkammer ist es möglich, das bei der Verbrennung entstehende SO2 direkt als CaSO4 zu binden. Dieser Prozess kann in Ebsilon abgebildet werden.

Dabei werden folgende chemische Reaktionen berücksichtigt:
Calcinierung:

• Ca(OH)2  à  CaO+H2O
• CaCO3    à   CaO+CO2
• MgCO3   à   MgO+CO2

Schwefeleinbindung:
• CaO + SO2 + 0.5 O2  à CaSO4

Da diese Reaktionen in der Regel nicht vollständig ablaufen, sind die Reaktionsraten vom Anwender vorzugeben. Hierfür gibt es die beiden Vorgabewerte CALCR und DESN
sowie vier Kernelexpressions ERCAOH2, ERCACO3, ERMGCO3 und ERSO2.
Über das Flag FDES wird gesteuert, welche Werte verwendet werden:

• Für FDES=0 findet keine Reaktion statt.
  
• Für FDES=1 werden die Werte CALCR und DESN verwendet. Der Wert CALCR muss zwischen 0 und 1 liegen und gibt an, welcher Anteil von Ca(OH)2, CaCO3 und MgCO3
  umgesetzt wird.
  Dabei wird für alle Substanzen der gleiche Anteil angenommen. DESN gibt an, welcher Anteil des vorhandenen SO2 umgesetzt wird.
  
• Für FDES=2 werden die Kernelexpressionen verwendet. Hierbei kann der Anwender für jede Reaktion ein eigenständiges Programm schreiben, wie der Reaktionsrate zu ermitteln ist,
  beispielsweise in Abhängigkeit von gewissen Einflussfaktoren. In den Kernelexpressionen kann das molare Ca/S-Verhältnis und die Bett-Temperatur als interne Variable      
  verwendet werden. Die Ergebnisse der Kernelexpression müssen zwischen 0 und 1 liegen.
  
• Für FDES=3 wird die Vorgabematrix MXRSO2 für den Entschwefelungsgrad verwendet, in Abhängigkeit vom molaren Ca/S-Verhältnis und von der Bett-Temperatur. Für den   
  Kalzinierungsgrad wird in diesem Modus der Vorgabewert CALCR verwendet.

Die nach der Reaktion verbleibenden Feststoffe werden wie alle nicht brennbaren Feststoffe entsprechend der Vorgaben für Asche auf Abgas- und Schlackeaustritt aufgeteilt. 

 

Elemente Magnesium und Calcium

Bei Mg und Ca handelt es sich um Metalle, die man üblicherweise nicht verbrennen wird. Da das neue Bauteil Gibbs-Reaktor aber diese Elemente im Gleichgewicht
behandeln, wurden sie auch in die Liste der verfügbaren Substanzen aufgenommen.

In den Ebsilon-Bauteilen, die eine Verbrennung durchführen, werden diese Elemente allerdings stets vollständig verbrannt. Im Abgas und in der Schlacke gibt es also kein
unverbranntes Mg oder Ca. Die Vorgaben zum Verbrennungswirkungsgrad und den Anteilen von Unverbranntem bei Bauteil 21 und 90 beziehen sich lediglich auf
die Elemente C, H, O, N, S und Cl.

Die Verbrennungsprodukte MgO und CaO werden bei den Bauteilen 21 und 90 gemäß dem Vorgabewert RFLAN auf Schlackeleitung und Abgasleitung aufgeteilt, genau wie alle
anderen nicht brennbaren Feststoffe.

 

Zweiter Brennstoffanschluss

Bei diesem Bauteil wurde ein weiterer Brennstoffeingang (Anschluss 10) ergänzt, so dass ein Betrieb mit zwei unterschiedlichen Brennstoffen (beispielsweise Öl und Gas) möglich ist.

 

Chemisches Gleichgewicht

Anstatt einer Verbrennungsrechnung kann auch eine Berechnung des chemischen Gleichgewichts durchgeführt werden, beruhend auf den im Gibbs-Reaktor (Bauteil 134) verwendeten NASA-Code). Zur Umschaltung dient der Schalter FOP:

• FOP=0: klassische Verbrennungsrechnung
• FOP=1: chemisches Gleichgewicht

Die Bedienung ist analog zu Bauteil 21.

Bei Vorgabe eines Verbrennungswirkungsgrades ETABN <1 wird der entsprechende Anteil des Brennstoffs (C-Anteil bei FUB=1, (C,H,O,N,S,Cl) bei FUB=0) schon abgezweigt, bevor das Gleichgewicht berechnet wird, geht also nicht mehr in die Berechnung des Gleichgewichtes ein. Da im Gleichgewicht jedoch möglicherweise auch nicht alles verbrennt, kann der Verbrennungswirkungsgrad insgesamt kleiner werden als die Vorgabe.

• Die Konzentrationen für CO und NOx werden nach der Gleichgewichtsberechnung auf die vorgegebenen Werte eingestellt (dies gilt auch, wenn der vorgegebene Wert 0 ist!). Wenn jedoch die im Gleichgewicht berechneten Werte für CO und NOx beibehalten werden sollen, muss der Schalter FCOCON bzw. FNOCON auf -1 gestellt werden.
  
• Die Vorgabe der Reaktionsraten für die Direktentschwefelung ist allerdings mit der Berechnung des Gleichgewichtes nicht kombinierbar.
  
• Die Verteilung der Asche und des Unverbrannten wird entsprechend RFLAS und UBASH durchgeführt.

Allerdings weist Bauteil 90 mehr Anschlüsse auf, die folgendermaßen behandelt werden:

• Abgas-Eintritt von der Vorgängerstufe (Anschluss 1): das hier eintretende Abgas wird genau wie die Verbrennungsluft (Anschluss 8) behandelt und in die Gleichgewichtsberechnung einbezogen.

• Schlack-Eintritt von der Vorgängerstufe (Anschluss 4): die hier eintretende Schlacke wird nicht in das Gleichgewicht einbezogen, sondern verlässt das Bauteil unverändert, wobei sie gemäß Vorgabewert ASHSPL auf den Anschluss 2 (Abgas-Ausgang) und 5 (Schlacke-Ausgang) aufgeteilt wird.      

Flammentemperatur für Strahlungsaustausch

Für die Berechnung der für den Strahlungsaustausch relevanten Flammentemperatur TF sind zwei theoretische Grenzwerte – die adiabate Verbrennungstemperatur Tad und die Rauchgasaustrittstemperatur Tout - vorhanden. Die für die Strahlungsflüsse Q6 und Q7 relevante Flammentemperatur wurde mit einem Gewichtungsfaktor Alpha_T aus den Modelleinstellungen (Modell-Einstellungen => Simulation => Berechnung) gerechnet.

TF= Alpha_T*Tad+(1- Alpha_T)*Tout , 0<=Alpha_T<=1

Für den Strahlungsfluss Q3 wurde dagegen immer der arithmetische Mittelwert aus Tad und Tout verwendet, was einem Alpha_T Wert von 0,5 entspricht.

Es gibt im Bauteil 90 drei neue Vorgabewerte - FTRAD, ALPHAT und ETRAD – die zur Steuerung der Berechnung der Flammentemperatur TF verwendet werden.
Es ist möglich, einen für das Bauteil lokalen Wert ALPHAT vorzugeben, der entweder nur für den Strahlungsfluss Q3 oder für alle Strahlungsflüsse (Q3 und Q6, Q7) verwendet wird.
Alternativ lässt sich die Flammentemperatur für alle Strahlungsflüsse auch als geometrischer Mittelwert der Tad und Tout oder mittels einer Kernelexpression ETRAD vom Benutzer ausrechnen.

Die Flammentemperatur wird als Ergebniswert TRAD angezeigt.

Strahlungsverluste

Für Bauteil 90 besteht wie  schon bei Bauteil 21 die Möglichkeit, mit dem Schalter FC folgende Einstellungen für den bei der Berechnung der Strahlungsverluste verwendeten Parameter vorzunehmen:

• 0: manuelle Vorgabe von C im Vorgabewert C
• 1: Verwendung des EN12952-Wertes für Öl- und Gaskessel (C=0.0113)
• 2: Verwendung des EN12952-Wertes für Steinkohle-Kessel (C=0.0220)
• 3: Verwendung des EN12952-Wertes für Braunkohle-Kessel (C=0.0315)
• -1: Verwendung des EN12952-Wertes entsprechend des Leitungs- bzw. Kohletyps der Haupt-Brennstoffleitung (Anschluss 9)

FC ist allerdings nur aktiv, wenn FLOSS auf 1 („Berechnung aus QNMAX und C“) gestellt ist.

 

Vorgabewerte

  

 

Die blau markierten Identifikationswerte sind Referenzwerte für den Teillastmodus. Die Ist-Teillastwerte beziehen sich auf die in den Gleichungen verwendeten Werte.

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

 

 

Kennlinien

Es werden keine Kennlinien verwendet.

 

Vorgabe - Matrix

MXRSO2 - Vorgabematrix für den Entschwefelungsgrad

Verwendete Physik

Gleichungen

 

 

 

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Bauteilform

Form 1

Beispiel

Klicken Sie hier >> Bauteil_90 Demo << um ein Beispiel zu laden.