Mineralumwandlung in Feuerungen

Die Dissertation „Mineralumwandlung in Feuerungen“ beschäftigt sich mit der Simulation des Verhaltens anorganischer Kohlebestandteile während der Verbrennung von Kohle in staubgefeuerten Kraftwerken. Das Ziel der Arbeit lag in der Verbesserung der Verschmutzungs- und Verschlackungsvorhersage von Kohle auf Basis allgemeingültiger Ansätze zur Beschreibung der Aschebildungsprozesse und der Ablagerung von Asche auf Heizflächen. Eine wesentliche Voraussetzung für eine verbesserte Vorhersage der Verschmutzungs- und Verschlackungsphänomene ist die quantitative Kenntnis der einzelnen mineralischen Bestandteile der Kohle. Die entsprechenden Untersuchungsverfahren sind teilweise mit erheblichem Mess- bzw. Zeitaufwand verbunden. Es wurde daher ein Berechnungsverfahren entwickelt, welches es ermöglicht, aus dem qualitativen Vorkommen von Mineralien mit Hilfe der Oxidanalyse der Kohle die quantitative Aufteilung der Mineralien zu bestimmen. Dies wurde am Beispiel einer Braunkohle und einer Steinkohle gezeigt. Darüber hinaus wurde auch der Gesamtrohmineraliengehalt der Kohle berechnet. Es wurde nachgewiesen, dass dieser von dem im Zuge der Immediatanalyse einer Kohle bestimmten Aschegehalt stark abweichen kann. Die Verwendung des Aschegehalts z. B. als Eingangswert einer Strömungssimulation kann daher zu Abweichungen zwischen Simulation und realem Verhalten führen. Für die Modellierung der Mineralumwandlung wurden die als wesentlich erachteten Mineralstoffsysteme betrachtet. Als Simulationssoftware wurde das dreidimensionale Finite-Volumen-Brennkammer-Simulationsprogramm FLOREAN eingesetzt, das an der Technischen Universität Braunschweig entwickelte wurde. Während die Berechnung der Strömung nach dem Ansatz von Euler stattfindet, erfolgt die Berechnung der Mineralumwandlung als Postprocessing durch die Simulation von Partikelflugbahnen mittels der Lagrange-Betrachtung. In der Software bereits enthaltene reaktionskinetische Mineralumwandlungsansätze wurden um den Ansatz des chemischen Gleichgewichts erweitert. Die Modellierung erlaubt es somit erstmals, die wesentlichen Verschmutzungs- und Verschlackungsvorgänge durch die Kombination der Ansätze darzustellen und so den Detaillierungsgrad zu erhöhen. Vergleiche mit durchgeführten Messungen zeigten sowohl eine Vorhersageverbesserung der Gesamtablagerungsrate im Vergleich zu einer Simulation mit inerten mineralischen Kohlebestandteilen als auch eine gute Übereinstimmung der Mineralienkonzentrationen in den Ablagerungen. Schließlich wurde die Anwendung des Programms für eine Großanlage durch die Simulation einer Kraftwerksbrennkammer nachgewiesen.