Analyse des Depositionsverhaltens bei staubförmiger Kohleverbrennung unter Berücksichtigung der Partikelfragmentation

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Aschedepositionverhalten mittels numerischer Simulation untersucht. Dabei gilt das Hauptaugenmerk der Modellierung von Fragmentation und Koaleszenz der mineralischen Einschlüsse in der Kohle. Diese beiden Prozesse sind maßgeblich für die Größenverteilung der Aschepartikel verantwortlich. Zudem wird ein Depositionsmodell benötigt, um die Ablagerung der Asche auf Heizflächen abzubilden. Für die numerischen Simulationen wurden drei zusätzliche Modelle für Fragmentation, Koaleszenz und Deposition in das CFD-Programm ANSYS Fluent 13.0 implementiert. Die Fragmentation der Kohleteilchen während des Ausbrandes ist als Teil des Partikelmodells integriert, bei dem aus einer Partikelbahn mehrere Trajektorien entstehen um die Flugbahnen aller Fragmente zu berechnen. Für die Modellierung der Koaleszenz wird angenommen, dass alle Einschlüsse eines Kohlepartikels oder Fragments zu einem Aschepartikel verschmelzen. Zur Abbildung der Deposition wird die inertiale Impaktion als Transportmechanismus der Asche zur Wand verwendet und ein Schmelzanteilmodell genutzt um die Anhaftung der Partikel auf den Oberflächen zu bestimmen. Die Parameter des Fragmentationszeitpunkts und der Fragmentezahl werden mit Hilfe einer Studie ermittelt. Das Modell mit den ausgewählten Fragmentationsparametern wird mit experimentellen Ergebnissen validiert. In einem atmosphärischen Flugstromreaktor wurden Versuche mit zwei unterschiedlichen Kohlen durchgeführt mit einer Variation von Heiztemperatur und Luftzahl. Für die Kohle Pittsburgh No.8 zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation, nur für niedrige Temperaturen sind geringe Abweichungen zu erkennen. Bei der Kohle ElCerrejon kann das numerische Modell die Ergebnisse aus den Experimenten nicht zufriedenstellend wiedergeben. Dies lässt sich jedoch mit Hilfe des Schmelzverhaltens der Asche sowie des Verbrennungsmodells erklären. Abschließend wird das numerische Modell dazu verwendet das Depositionsverhalten an einem Steinkohlekessel zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Einfluss der Fragmentation auf die Depositionsneigung für einen Großkessel deutlich stärker ist als im Modell des Flugstromreaktors.