Das Projekt "Prozessoptimierung von Vorcalcinieranlagen der Zementindustrie mit CFD-Methoden unter Berücksichtigung der Aspekte Sekundärbrenn-stoffe und NOx-Optimierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Vereinigung für Verbrennungsforschung (DVV) durchgeführt. Angestrebte Forschungsergebnisse. Die für die CFD-Simulation eines sekundärbrennstoffbefeuerten Vorcalcinators erforderlichen Submodelle sind: 1. Calcinierungs- und Sulfatierungsmodell für die Calcinierung des Einzelkorns. 2. Abbrandmodell für die Kohle. 3. Modell für die Turbulenzmodulation. 4. Modell für die Strahlungsbeeinflussung durch die Partikelphase. 5. NOx-Bildungs- und Abbaumodell.6. Abbrandmodell für den Sekundärbrennstoff. 7. Bewegungsmodell für die Trajektorien des Sekundärbrennstoffs. Die Modelle 1-5 wurden im Rahmen des Vorläuferprojekts implementiert und validiert. Im Rahmen des Projekts sollen die Modelle 3-5 an den zusätzlichen Einsatz von Sekundärbrennstoffen angepasst und die Modelle 6 (Abbrandmodell für den Sekundärbrennstoff) und 7 (Bewegungsmodell für die Trajektorien des Sekundärbrennstoffs) entwickelt, implementiert und validiert werden. Die Überarbeitung bzw. Neuentwicklung und Implementierung dieser aufgeführten Modelle bei Einsatz von Sekundärbrennstoffen und die anschließende CFD-Simulation sekundärbrennstoffbefeuerter Vorcalcinatoren sind das Forschungsziel des beantragten Projekts. Mittels dieser mathematischen Modelle können die Einzelvorgänge im Vorcalcinator realitätsnah abgebildet und die Probleme des Vorcalcinatorbetriebs kostengünstig am Rechner untersucht werden. Der deutschen Zementindustrie wird hiermit ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, mit dem der Vorcalcinatorbetrieb optimiert und somit dem Kostendruck seitens der Anlagenbetreiber begegnet werden kann. Ein weiteres wichtiges angestrebtes Forschungsergebnis ist ein erweiterter Kenntnisstand über das Verhalten von Sekundärbrennstoffen (Verbrennung, Flugfähigkeit, Flugbahnen, Anbackungen etc.) im Vorcalcinatoren der Zementindustrie und die Zusammenhänge zwischen NOx-Bildung und -Abbau. Dieser soll in Verbindung mit den Simulationsrechnungen den Zementwerks-Betreibern ermöglichen, die Anlagen mit hohen Substitutionsraten bei gleichzeitig niedrigen NOx-Emissionen zu betreiben.
Das Projekt "Prozessoptimierung für eine Vorcalcinieranlage der Zementindustrie - Modellbildung, Simulation und Validierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Vereinigung für Verbrennungsforschung (DVV) durchgeführt. In Zementwerksanlagen wird die Hauptkomponente des Zements, der Zementklinker, aus einem Gemisch mineralischer Rohstoffe mit den oxidischen Hauptbestandteilen Calciumoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Eisenoxid in Drehrohröfen bei Materialtemperaturen über 1450 Grad Celsius gebrannt. Aktuelle Anlagenkonzepte realisieren dabei eine räumliche Trennung der Aufheizung des Rohmaterials (im Zyklonvorwärmer), der Entsäuerung des als Rohstoff eingesetzten Kalksteinmehls (im Vorcalcinator) und der Sinterung der Klinkerschmelze (im Drehrohr). Als Brennstoffe werden dabei sowohl Kohlen als auch Sekundärbrennstoffe eingesetzt. Bei den im Drehrohr nötigen Prozessbedingungen (mit Verbrennungstemperaturen bis zu 2000 Grad Celsius) lässt sich die Entstehung von thermischen Stickoxiden nicht verhindern. Die Emissionsgrenzwerte der TA Luft und der 17. BImSchV müssen von Zementwerksanlagen jedoch eingehalten werden. Im Zusammenhang mit betrieblichen Optimierungen und Umbauten bestehender Anlagen oder bei der Auslegung neuer Anlagen sind daher stets Maßnahmen zur Emissionskontrolle zu treffen. Aufgrund der erwähnten Trennung der Prozessschritte gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, die Gesamtanlage, die konstruktive Gestaltung von Komponenten und die Betriebsweise, z.B. durch gestufte Verbrennung so zu optimieren, dass entweder auf kostenintensive sekundäre NOx- Reduktionsmaßnahmen (SNCR-Verfahren) verzichtet werden kann oder zumindest deren Betriebskosten minimiert werden können. Der Vorcalcinator, in den 50-60 Prozent der insgesamt aufzuwendenden Wärmeenergie eingetragen werden kann, bietet sich für solche Primärmaßnahmen an. Infolge der endothermen Entsäuerungsreaktion stellt sich dort eine vergleichsweise niedrige und konstante Prozesstemperatur ein, so dass Schadstoffbildung und Schadstoffreduktion gezielt beeinflusst werden können. Experimentelle Untersuchungen zeigen aber, dass sich die Erfahrungen aus der Feuerungstechnik nicht uneingeschränkt und vor allem nicht ohne Berücksichtigung der Auswirkungen einer sehr hohen Staubbeladung, auf die Vorcalcinierung übertragen lassen. Im letzten Jahrzehnt hat die numerische Berechung reagierender Strömungen an vielen Stellen dazu beigetragen, komplexe verfahrenstechnische Anlagen zu verbessern. Da inzwischen auch vielfältige Untersuchungen zu den im Calcinator ablaufenden Einzelprozessen durchgeführt wurden, bietet es sich an, dieses Werkzeug zu verwenden, um das vorhandene Detailwissen zusammenzuführen sowie zur technischen Verbesserung und betrieblichen Optimierung von Vorcalcinieranlagen nutzbar zu machen.