Simulation eines Pellet-Scheitholz-Kombikessels und
Vergleich mit experimentellen Ergebnissen
von
Birgit Musil
Der Einsatz von Biomasse als Energiequelle ist insbesondere im Hinblick auf das Kyoto-Protokoll, in dessen Rahmen Österreich 2010 eine Reduktion der CO2-Emissionen um 13 %, bezogen auf 1990 erreichen soll, von zentralem Interesse: Bei Verbrennung von Biomasse wird lediglich jenes CO2 freigesetzt, welches die Pflanze während des Wachstums aufnimmt, daher ist die Energiegewinnung durch Verbrennung von Biomasse – nachhaltiges Wirtschaften vorausgesetzt – CO2-Neutral.
Rund 10 % des österreichischen Gesamtenergiebedarfes von 1.358 PJ (1 Petajoule entspricht 1015 J) werden 2001 durch feste, flüssige und gasförmige Biomasse abgedeckt. Knapp 60 % davon finden ihren Einsatz im Bereich „Warmwasser und Raumwärme“. Dort stellt Biomasse mit 74 PJ einen Anteil von 20 % (EVA, 2002).
Nun birgt der Bereich „Warmwasser und Raumwärme“ ein besonders hohes Potential für den vermehrten Einsatz von Biomasse – und somit direkt zur Reduktion der CO2-Emissionen - in sich, da moderne Biomassekessel ökologisch, ökonomisch und im Bedienungskomfort bereits eine direkte Konkurrenz zu fossilen Heizanlagen darstellen und sind somit für den umweltbewussten Kunden attraktiv. Dabei spielt das steigende Umweltbewusstsein der Bevölkerung und die Unsicherheit bezüglich der zukünftigen Preisstabilität von fossilen Brennstoffen eine große Rolle.
Scheitholz ist der kostengünstigste aller biogenen Brennstoffe, jedoch ist manuelles Einheizen notwendig; Holzpellets hingegen können vollautomatisch transportiert werden, jedoch sind sie etwas kostenintensiver. Die Kombination von Scheitholz- und Pelletsfeuerung bei gleichwertiger Verbrennungsqualität in ein und demselben Kessel erweitert somit das Spektrum des Einsatzes von Biomassekesseln und kann langfristig zur Reduktion von CO2-Emissionen führen.
Die Entwicklung eines neuartigen Scheitholz- Pellets-Kombikessels wurde mittels des Einsatzes von Computational Fluid Dynamics – einem Werkzeug, welches erst in jüngster Zeit seinen Einsatz zur Strömungs- und Verbrennungssimulation in Kleinfeuerungsanlagen gefunden hat – durchgeführt. Aus diesen Berechnungen erhaltene Erkenntnisse (wie beispielsweise Strömungsrichtung, Temperaturen, Turbulenzen) konnten bei Versuchen im Kessel verifiziert werden. Dieser direkte Vergleich liefert wichtige Erkenntnisse bezüglich des eingesetzten Strömungs- bzw. Verbrennungsmodells, insbesondere da der direkte Vergleich von berechneten Ergebnissen und Messwerten aus Versuchen oft nicht möglich ist: Häufig werden nur Teilaspekte einer Anlage berechnet oder es wird ausschließlich experimentell gearbeitet.
Für einen kombinierten Pellet-Scheitholzkessel werden Strömungs- und Verbrennungssimulationen durchgeführt. Durch daraus abgeleitete Änderungen in der Kesselgeometrie wird ein besserer Ausbrand erreicht.
Die Simulation der Strömung bei Pelletverbrennung erfolgt, um den Verlauf der Strömung im Kessel abschätzen und die Simulationsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen vergleichen zu können. Die berechnete Strömung stimmt mit der im Kessel beobachteten Strömung sehr gut überein. Der Vergleich von gemessenen und berechneten Temperaturen bei unterschiedlichen Kesselleistungen bestätigt die Ergebnisse der Simulation.
Durch Abänderungen in der Geometrie des Kessels werden nachteilige Bedingungen, die die Ausbrandgüte mindern, beseitigt. Zum einen erfolgt dies durch ein Einhängblech, das an der wassergekühlten Wand, an der der Feuerstrahl aus der Pelletverbrennung direkt auftrifft, vorgesehen wird. Zum anderen verhindert das Auftragen von zusätzlichem Material eine Strömung von bereits abgekühlter Luft zurück in den Brennraum der Pelletverbrennung. Daraus ergibt sich eine merkliche Verbesserung des Ausbrandes im Experiment.
Die nähere Betrachtung der Mischgüte von Brenngas und Verbrennungsluft in den Brennräumen des Kessels erfolgt sowohl bei Scheitholz- wie auch bei Pelletverbrennung. Während bei Pelletverbrennung sehr schnell eine ebenmäßige Verteilung der Gase eintritt, ist die Mischgüte bei Scheitholzverbrennung nicht befriedigend. Daraus ergeben sich Vorschläge zur Geometrieänderung in der Nachbrennkammer.
Im Gegensatz zum realen Vorgang bei Verbrennung von Biomasse, bei der sowohl Gas- als auch Feststoffverbrennung stattfindet, wird bei der Verbrennungssimulation von homogener Gasphasenverbrennung ausgegangen. Der eingebrachte Brennstoff setzt sich aus den Entgasungsprodukten und dem äquivalenten Kohlenmonoxidanteil, der die Feststoffverbrennung berücksichtigt, zusammen. Um ein möglichst realitätsnahes Modell für die Einbringung des Brennstoffes in den Kessel zu finden, wird in einer vereinfachten Geometrie die Verbrennung mit unterschiedlichen Modellen für die Brennstoffeinbringung simuliert. Das am besten passende wird für die Simulation der Pelletverbrennung eingesetzt. Die Strömung und das Temperaturprofil der Verbrennungssimulation entsprechen den beobachteten und gemessenen Verhältnissen.
Die Diplomarbeit wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Austrian Bioenergy Centre und der sht- Heiztechnik aus Salzburg erstellt, wobei die Simulationen an der TU Wien, Institut für Verfahrenstechnik durchgeführt wurden.
Die Arbeit steht hier zum Download zur Verfügung: