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LUATLehrstuhl für Umweltverfahrens-technik und AnlagentechnikUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil.Klaus Görner
Folie 1
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„Grundlagen und Anwendungen“
12.11.2004
Polysius AG, Beckum
.
Prozessoptimierung für einen Prozessoptimierung für einen Vorcalcinator Vorcalcinator der der ZementindustrieZementindustrie
AiFAiF--Projekt Nr. 13535Projekt Nr. 13535
Klaus GörnerUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil.
Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnikund Anlagentechnik LUAT
Universität Duisburg-Essen
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.Inhalt
Vorstellung des Calcinierungsprozesses
Besonderheiten des Prozesses; Motivation
Modellierung hochbeladener reagierender Zweiphasenströmungen
- Turbulenzmodellierung
- Turbulenzmodellierung bei hoch beladener 2-Phasen-Strömung
- Einfluss der Strahlungsmodellierung
Ausblick
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.Calcinierungsprozess
Zyklonvorwärmer
Entsäuerung im Calcinator
Klinkerbrennprozess im DrehrohrRostkühler
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.Calcinierungsprozess
Haupteinsatzstoff: Kalkstein (CaCO3)
Calcinierungsprozess:
CaCO3 ⇒ CaO + CO2
∆H = 170 kJ/mol
T ≈ 800 °C
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.Calcinierungsprozess
OberluftMehl
Tertiärluft
Braunkohle
Gas (aus Drehrohr)
SBS
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.Calcinierungsprozess - Simulationsergebnisse
Ges
chw
indi
gkei
t [m
/s]
25
0
OberluftTertiär-luft
35
0
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.Calcinierungsprozess - Simulationsergebnisse
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.Turbulenzmodellierung
⇒ Wechselwirkungen zwischen den beiden Phasen nehmen stark zu
Mittlere Gasbeladung im Calcinator: β > 1 kg Feststoff / kg Gas
⇒ Standard-Modelle aus der Kraftwerkstechnik führen teilweise zu deutlichen Abweichungen
Turbulenzenergie wird nicht nur durch Wechselwirkungen der Gasphasenwirbel untereinander dissipiert, sondern zusätzlich durch die Wechselwirkung beider Phasen
Gründe
Turbulenzintensität der Gasphasenwirbel wird herabgesetzt
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.Einfluss der Partikelphase auf die Turbulenz
10 -2
10 0
10 2
10 4
geringeAuswirkungen
auf die Turbulenz
Partikelndämpfen dieTurbulenz
Partikelnerhöhen dieTurbulenz
verdünnt
Ein-Weg-Kopplung
Zwei-Wege-Kopplung
φ
St
Vier-Wege-Kopplung
dicht
Partikelrelaxationszeitφ: Volumenanteil der dispersen PhaseSt =
Kolmogorov-Zeitmass
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.Modellierung der Fluidphase
MasseImpuls
Energie
Modellierung der Reynolds-Spannungen mit k-ε-Modell
turb. kin. Energie k
Dissipationsrate ε:
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.2-Phasen-Modell
zusätzliche Quellterme für k und ε zur
Beschreibung der Turbulenzmodulation
k-Gleichung
ε-Gleichung
Standard-k-ε-Modell: Sk = 0; Sε = 0;(1-phasig)
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+−×
××××−=
pe
e
p
sgsk
kS
τττ
τϕϕρ
12
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+−×
×××××−=
pe
e
p
sgsCS
τττ
τεϕϕρε
ε 12 3Hamill & Malin:
( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −×××−=
×−
epkB
ekS pskτ
τ
τρ 1/2 ( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −×××−=
×−
epB
eS ppτ
τε
τρεε 1/2Tu & Fletcher:
ϕs: Volumenanteil der Partikelphase, τp: Partikel-Ralaxationszeit, τe: Eddylifetime
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.2-Phasen-Modell
Modellierung der turb. Viskosität unter Berücksichtigung
der Partikelbeladung
k-Gleichung
ε-Gleichung
Standard-k-ε:
µt =cµ·ρg·k2/ε (Prandtl-Kolmogorov-Beziehung, Cµ: Modellkonstante, ρG: Gasdichte)
2-Phasen-Modell:
µt = f(cµ, ρg,k,ε, ß, Wandabstand) im Kernbereich der Strömung
ß: Gasphasenbeladung [kg/kg]
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.Definition der turbulenten kinetischen Energie
augenblicklicher Wert:
Zeitlicher Mittelwert
vvv ˆ+=
v
)(tv
Zeit t
turbulente kinetische Energie k: ( )222 ˆˆˆ21
zyx vvvk ++=
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.Partikelphase
Impulsbilanz der Einzelpartikel:: Schleppkraft an der Partikel
Instantane Gasgeschwindigkeit:
isotrope Turbulenz
beim k-ε-Modell
ζ: Normal verteilte Zufallszahl
Interaktionszeit zwischen Wirbel und Partikel: ),min( crossei tττ =
Partikel durchquert turbulente Wirbel
Wirbellebensdauer:
Verweilzeit im Wirbel:
Neuberechnung der instantanen Größen nach Ablauf der Interaktionszeit
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.Laborversuche - Versuchsaufbau
Zweck: Messung der Geschwindigkeitsverteilungen
Rohr, 5000 mm - 6000 mm Länge,30 - 160 mm Ø
Gebläse
Partikelaufgabe,Beladungen: 0,2 - 3,2 kg/kg
Partikelgrößen: 150 - 240 µm
Kreislaufzyklon(e)
Laser-Doppler-Einrichtungzur Messung der Geschwindigkeiten
& Geschwindigkeitsfluktuationen
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.Laborversuche
0
2
4
6
8
10
12
14
-0,02 -0,015 -0,01 -0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02Rohrradius [m]
Axi
alge
schw
indi
gkei
t [m
/s]
Messung
Tu & FleHam & Mal
Modell−−εk
Modell−tµ
Beladung: 1,9 kg/kg, dp ≈ 200 µm
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-0,0100 -0,0050 0,0000 0,0050 0,0100
Rohrradius [m]
Turb
. kin
. Ene
rgie
k [m
2 /s2 ]
Abschätzung
Tu & FleHam & Mal
Modell−−εk
Modell−tµ
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.Rechnungen für Calcinator-Geometrie
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.Rechnungen für Calcinator-Geometrie
Beladung: 1,9 kg/kg , dp ≈ 200 µm
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-4 0 4Rohrradius [m]
Axi
alge
schw
indi
gkei
t [m
/s Tu & FleHam & Mal
Modell−tµ
Modell−−εk
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
-4 0 4Rohrradius [m]
turb
. kin
. Ene
rgie
k [m
2 /s2 ]
Tu & FleHam & Mal
Modell−tµ
Modell−−εk
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.Rechnungen für Calcinator-Geometrie
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.Strahlungsmodellierung
EinfallendeStrahlung (I)
AusfallendeStrahlung I+(dI/ds)ds
Gasstrahlung(aσT4 /π) ds
Strahlungseintragdurch Streuung
Absorption und StreuungsverlustI (a+σs) ds
Wegen hoher Beladung findet Strahlungsaustausch
hauptsächlich zwischen benachbarten Partikeln statt
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.Strahlungsmodellierung
Referenzfall Fall "Standard"
1500
600
Tem
pera
tur [
°C]
Diffusionsmodell Flussmodell
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.Ausblick
Präzisierung der Turbulenzmodellierung- Beurteilung weiterer 2-Phasen-k-ε-Turbulenzmodelle
- stärkere Berücksichtigung der Wandfunktionen
Präzisierung weiterer calcinatorspezifischer Teilmodelle in eine Calcinatormodellierung
- Strahlungsaustausch-Modellierung
Ziel:
Zuverlässige Berechnung von Calcinatoren
Optimierung von Calcinatoren