Download PDF Broschüre CFD-Simulationen

CFD (Computational Fluid Dynamics = numerische Strömungsmechanik) ist die räumlich (und zeitlich) aufgelöste Simulation von Strömungs- und Wärmetransportprozessen. Die 3-dimensionale Visualisierung der laminaren oder turbulenten, chemisch reaktiven Strömung in Feuerungen, Vergasungs- und Pyrolyseanlagen, bei der es sich auch um ein mehrphasiges System handeln kann, ist damit möglich. CFD-Simulationen eignen sich hervorragend als Design- und Optimierungswerkzeug.

BIOS hat eine Vielzahl von CFD-Modellen im Einsatz, welche für die Entwicklung und Optimierung von Biomassefeuerungen, Biomasse-Vergasungs- und Biomasse-Pyrolyseanlagen maßgeschneidert sind und auch einer ständigen Weiterentwicklung unterzogen werden. So stehen Rost-, Bett- und Flugstrom-Verbrennungs-, Vergasungs- und Pyrolysemodelle, Modelle für die Simulation der turbulenten, reaktiven Gasströmung in Verbrennungs-/Vergasungs- und Pyrolysereaktoren, ein detailliertes NO_x-Bildungsmodell, ein Aerosolbildungsmodell, ein Aschedepositionsbildungsmodell sowie ein Teerkonversionsmodell zur Verfügung.

BIOS ist ein kompetenter Partner für die CFD-gestützte Entwicklung und Optimierung von Biomasse-Verbrennungs-, Vergasungs- und Pyrolyseanlagen. Weitere Spezialanwendungen wie zum Beispiel die Beurteilung und Optimierung von Druckluftabreinigungsanlagen oder die Gestaltung und Optimierung von Mischkammern komplettieren das Angebot von BIOS im Bereich der CFD-Simulationen.

Vorteile einer Anlagenentwicklung mittels CFD-Simulation

• Besseres grundlegendes Verständnis bezüglich der Abläufe in einem Verbrennungs-, Vergasungs- bzw. Pyrolysereaktor
• Reduktion von Entwicklungszeiten und Testaufwand
• Erhöhte Sicherheit bei der Anlagenentwicklung
• Erhöhte Anlagenverfügbarkeiten und Reisezeiten
• Erhöhte Brennstoff-Flexibilität
• Reduzierter Materialverschleiß
• Erhöhter Anlagenwirkungsgrad
• Verminderte Emissionen
• Kompakte Anlagenbauweise

Tätigkeitsfelder

BIOS führt CFD-Simulationen für folgende Anlagen und Technologien durch:

• CFD-gestützte Entwicklung und Optimierung von Biomassefeuerungen und Kesseln
• Entwicklung und Optimierung von Biomasse-Festbettvergasern und Gasbrennern
• CFD-Simulation von Biomasse-Festbettpyrolyse- und –torrefikationsanlagen sowie von Pyrolysegas- und Pyrolyseölbrennern
• Gestaltung und Optimierung von Wärmetauschern und Kondensationsanlagen
• Anwendung der Verbrennungsmodelle für Müllverbrennungsanlagen
• Wärme- und Druckverlustberechnungen von Fernwärmeleitungen
• Zyklonsimulationen (Partikelabscheidung, Erosionstendenzen, Zyklonbrennkammern)
• Simulation von Elektrofiltern
• Raum- und Umströmungssimulation in Heizhäusern und Industriebetrieben
• Beurteilung und Optimierung von Druckluftabreinigungsanlagen
• Gestaltung und Optimierung von (Vor-)Mischkammern (z.B. Vormischung von rezirkuliertem Rauchgas und Verbrennungsluft, Quenchsysteme)
• Simulation von Wärmespeichern (Schichtenspeicher, Feststoffwärmespeicher, Latentwärmespeicher)
• Simulation von Schmelzreaktoren für industrielle Anwendungen
• Modellierung der NOx- und SOx-Bildung unter Berücksichtigung detaillierter kinetischer Modelle
• Modellierung der Aerosolbildung (Feinstaubbildung) und Aschedepositionsbildung
• Hochtemperatur-Gleichgewichtsberechnungen
• Modellierung der Teerkonversion in Biomassevergasungs- und Pyrolyseanlagen

Branchen

BIOS führt CFD-Simulationen für folgende Auftraggeber / Kunden durch:

• Hersteller von

• Festbett- und Rostfeuerungen im kleinen, mittleren und großen Leistungsbereich
• Scheitholzfeuerungen / -kaminöfen
• Pelletsfeuerungen / -kaminöfen
• Staubfeuerungen
• Zyklonbrennkammern
• Festbettpyrolyse- und Torrefikationsreaktoren
• Festbettvergasern
• Rauchgasreinigungsanlagen
• Fernwärmerohren
• Wärmetauschern und Kondensationsanlagen
• Elektrofiltern
• Wärmespeichern
• Betreiber von Biomasse-Feuerungs- und Kesselanlagen sowie von Biomasse-Vergasungs-, Pyrolyse- und Torrefikationsanlagen wie
  • Gemeinden und kommunale Einrichtungen
  • Stromversorgungsunternehmen und Stadtwerke
  • Wärmeversorgungsunternehmen
  • Sägewerke und Holzindustrie

• Sonstige Gewerbe- und Industriebetriebe

Die CFD-Simulationsarbeiten werden sowohl für Neuanlagen (Entwicklungs- und Planungsprojekte) als auch für bestehende Anlagen (Optimierungen, Sanierungen) durchgeführt.

Projektphasen

BIOS führt CFD-Simulationsarbeiten in den folgenden Projektphasen durch, wobei individuelle Änderung je nach Projektanforderung und -umfang möglich sind:

Leistungsumfang

BIOS bietet in den unterschiedlichen Projektphasen folgende Leistungen an:

Ist-Analyse eines Basiskonzeptes

• CFD-Simulation zur Ist-Analyse eines ersten Konzeptes
• Auswertung der CFD-Simulation und Bewertung der Simulationsergebnisse inklusive Stärken- und Schwächenanalyse
• Erstellung eines Maßnahmenkatalogs zur Optimierung des Basiskonzeptes

Schrittweise Optimierung (Sensitivitätsanalysen)

• CFD-gestützte Sensitivitätsanalyse zur Optimierung des Basiskonzeptes gemäß den aus der Ist-Analyse abgeleiteten Maßnahmen
• Die Sensitivitätsanalysen können sowohl geometrische (z.B. verschiedene Düsengeometrien) als auch den Anlagenbetrieb betreffende Maßnahmen (z.B. unterschiedliche Luftstufungen) umfassen.
• Optimierungsziele können sein:
  • Emissionsreduktion (CO, NO_x, Staub, Teere, etc.)
  • Wirkungsgradoptimierung
  • Reduktion des Reaktorvolumens
  • Minimierung von Materialerosion und Verschlackungen
  • Erhöhung der Brennstoff-Flexibilität
  • Verbesserung der Produktgasqualität
  • Optimierung der Pyrolysebedingungen zur Produktion von Biokohle

Definition eines voroptimierten Konzeptes

• Auf Basis der Ergebnisse der Sensitivitätsanalysen wird ein voroptimiertes Konzept erarbeitet und mit dem Auftraggeber im Detail abgestimmt.

Begleitung von Testläufen an einer realisierten voroptimierten Versuchsanlage

• BIOS bietet bei Bedarf begleitende Testläufe und Messungen an Versuchsanlagen an
• Derartige Testläufe dienen zur Prüfung der Technologie / Anlage unter praxisnahen Bedingungen; sie können entweder im eigenen Technikum oder beim Kunden durchgeführt werden.

Nachsimulationen ausgewählter Testläufe

• Vergleich von Messung und Simulation zur Bewertung des Anlagenkonzepts.
• Nachsimulationen ermöglichen eine effiziente Schwachstellenanalyse unter Berücksichtigung praktischer Erfahrungen aus dem Versuchsbetrieb.

CFD-gestützte Weiterentwicklung zur Optimierung der Technologie

• CFD-gestützte Erarbeitung eines optimierten Konzepts und detaillierte Abstimmung mit dem Auftraggeber, um eine bestmögliche Umsetzung der getroffenen Maßnahmen sicherzustellen.

Skalierungen

• Durchführung von Auf- und Abskalierungen für entwickelte Anlagentechnologien auf Basis von Ähnlichkeitsansätzen und nachfolgende Bewertung mittels CFD-Simulationen.

Simulationsgestütztes Monitoring

• Ein simulationsgestütztes Monitoring bereits in Betrieb befindlicher Anlagen unterstützt die effiziente Schwachstellenanalyse und bildet die Grundlage für darauf aufbauende Optimierungen

Simulationstools

BIOS führt Simulationsarbeiten hauptsächlich unter Verwendung der CFD-Software ANSYS Fluent durch. Eigenentwickelte Modelle wurden und werden als sogenannte UDFs (User Defined Functions) in diese Software implementiert, um so detaillierte Simulationen von Biomasse-Konversionsprozessen zu ermöglichen.

Darüber hinaus entwickelt BIOS OpenFOAM-Module für viele relevante Anwendungen, die ebenfalls für CFD-Simulationen eingesetzt werden.

Zusätzlich bietet BIOS mit OpenBioPD (Open-Source-Software based Bioenergy Plant Design) maßgeschneiderte CFD-Lösungen für Kunden auf Basis von OpenFOAM an, die für Firmen interessant sind, die selbst CFD-Simulationen durchführen wollen.