Modelling and Simulation of SOx and NOx Formation under Oxy-Coal Combustion Conditions
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Beschreibung
The oxy-coal combustion represents one option for CO₂ capture from fossil fuel fired power plants. This work focuses on modelling and simulation of SOₓ and NOₓ formation under oxy-coal combustion conditions. In a CFD framework, pollutant models are commonly applied in a post-processing step based on a main combustion simulation. Hence, reliable and accurate results of the main combustion simulation are an essential precondition for validation of pollutant models. Special attention is thus drawn to the field of turbulence modelling which is of crucial relevance for the flow field prediction particularly in the near-burner region. The evaluation of different turbulence models reveals that especially for swirl-stabilized flames the choice of the turbulence model may significantly affect the accuracy of the main combustion simulation (and thus of the subsequent pollutant simulation as well).
Since SOₓ and NOₓ formation mechanisms are fundamentally similar at oxy-fuel and air-fired conditions, existing pollutant models developed for air-fired systems are applicable to oxy-fuel systems as well. To ensure reliable predictions at varying operating conditions, the proposed global SOₓ and NOₓ models are refined and additional reactions are implemented. Two different furnaces of laboratory and semi-industrial scale are considered for model validation. For both models, the computed profiles agree very well with measured data of the major pollutant species at both air-fired and oxy-fuel combustion conditions. The influence of the presence of SO₂ and NO in the oxidant due to flue gas recycling under oxy-fuel conditions and the effect of oxidant staging are accurately reproduced in the modelling and the predicted furnace exit concentrations consistently match the measured data.
Die Oxy-fuel-Verbrennung gilt als eine Möglichkeit, um den Ausstoß von Treibhausgasen aus Kohlekraftwerken mit Hilfe des Carbon Capture & Storage-Konzepts zu verringern. Die veränderte Zusammensetzung der Verbrennungsatmosphäre unter Oxy-fuel-Bedingungen im Vergleich zur konventionellen Verbrennung wirkt sich sowohl auf das Verbrennungsverhalten als auch auf Stoffeigenschaften des Rauchgases aus. In der Arbeit werden Modelle zur Beschreibung der SOx- und NOx-Bildungsmechanismen im Oxy-fuel-Verbrennungsprozess entwickelt, die im Rahmen numerischer Strömungssimulationen (CFD) anwendbar sind. Der Einsatz von Schadstoffmodellen erfolgt gewöhnlich in einem post-processing Schritt beruhend auf den Ergebnissen einer Verbrennungssimulation. Für die Validierung der Schadstoffmodelle ist demzufolge eine hohe Genauigkeit der zugrunde liegenden Verbrennungssimulationsergebnisse unerlässlich. Daher ist ein Teil der Arbeit der Turbulenzmodellierung gewidmet, die einen wesentlichen Einfluss auf die Vorhersagegenauigkeit des Strömungsverlaufs speziell im Brennernahbereich ausübt. Der Vergleich verschiedener Turbulenzmodelle zeigt insbesondere im Fall von Drallflammen, dass die Wahl des Turbulenzmodells die Ergebnisqualität der Verbrennungssimulation (und damit auch der nachfolgenden Schadstoffsimulation) nennenswert beeinflusst.
Weil die SOx- und NOx-Bildungsmechanismen unter Oxy-fuel-Bedingungen im Prinzip ähnlich wie unter Luftbedingungen ablaufen, erscheinen bestehende Schadstoffmodelle, die für konventionelle Kohleverbrennung entwickelt wurden, gleichermaßen geeignet für die Anwendung bei der Oxy-fuel-Verbrennung zu sein. Um die Modellierungsgüte zu erhöhen und möglichst verlässliche Ergebnisse bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu erzielen, werden die vorgeschlagenen globalen Reaktionsmodelle zur SOx- und NOx-Bildung weiterentwickelt und um zusätzliche Reaktionspfade ergänzt. Dabei folgen beide Modelle einem einheitlichen Konzept und berücksichtigen die Teilschritte: Freisetzung von kohlegebundenem Schwefel bzw. Stickstoff, konkurrierende Reaktionen in der Gasphase und Reduktion über Feststoffreaktionen.
Zur Modellvalidierung werden ein Flugstromreaktor und eine Brennkammer im halbtechnischen Maßstab betrachtet. Der Vergleich zwischen Messwerten und Simulationsergebnissen bestätigt die prinzipielle Eignung der entwickelten Modelle zur Vorhersage von Absolutwerten und Profilen der wesentlichen Schadstoffspezies unter Luft- wie Oxy-fuel-Bedingungen. Abweichungen der Konzentrationsverläufe charakteristischer Zwischenprodukte in der Hauptverbrennungszone sind auf die Anwendung vereinfachter globaler Reaktionsmechanismen zurückzuführen. Die Auswirkungen der rezirkulierten Schadstoffspezies unter Oxy-fuel-Bedingungen sowie von gestufter Verbrennungsführung werden im Modell richtig wiedergegeben. Besonders gute Übereinstimmung wird bei den Schadstoffkonzentrationen am Brennkammerende erzielt.
Autor*in
Michael Müller