Erdgasverbrennung

Dieses Beispiel stellt die Erstellung eines Projekts für Erdgasverbrennung dar.

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, soll das Erdgas mit der Luft verbrannt und die Wärme zur Dampferzeugung verbraucht werden.


Aus dem Resultat der Berechnungen sollen
- die Relation zwischen der Verbrennungsluft und des Erdgases ermittelt werden.
- bei der maximal erreichbaren Temperatur herausgefunden werden, wie viel Dampf bei 500°C und 5 bar erzeugt werden können.
- die Abhängigkeit der NO, und SO2-Konzentrationen von der Luft/Erdgas-Relation ermittelt werden.

 

Die Vorgehensweise wird im folgenden erläutert.

1. Neues Projekt erstellen

2. Thermodynamisches System definieren

3. Luft und Erdgas definieren

4. Inputs definieren

5. Prozesse definieren

6. Massen-Fluss

7. Wärme-Fluss

8. Definition der zu protokollierenden Variable

9. Definition der Grafischen Darstellung

 

1. Neues Projekt erstellen:

In der Hauptfenster Menu Datei -> Projekt -> Neues Projekt

In der folgenden Dialogbox einen Projektname eingeben (wie z.B. T.prj)

1.2. In der Hauptfenster Menu  Projekt -> Konfiguration

Wechseln Sie auf die Seite Dimension

geben Sie alle Dimensionen für Gas [Nm3], Liquid [kg] und solid [kg].

 Einstellungen speichern und die Dialogbox schließen

 

2. Thermodynamische System Definieren

Menu Projekt -> Thermodynamisches System

2.1. Elemente im System auswählen: H, C, O, N, S (oder mehr)

2.2. Komponente auswählen

Gase: CH4, H2,O2, CO,CO2, H2O, SO2, NH3, N2O, NO (oder mehr)

Liquid: H2O, H2SO4, (oder mehr)

Solid: C (oder mehr)

2.3. Das System speichern

Das Fenster für thermodynamisches System schließen

 

3. Luft und Erdgas definieren

3.1 Menü Projekt -> Subtanzen

3.2. Im Eingabefeld Definition Luft eingeben

3.3. Komponente den Gas auswählen

3.4. Button Auswahl -> Drücken 

in der folgenden Dialogbox die Stoffe N2, O2, CO2, H2O  (oder mehr) einfügen

3.5. In der Kombinationsfeld NVol % auswählen, Damit die Eingaben als [Nm3] gelten,

3.6. Anteile von  N2: 78 %;  O2: 20 %; CO2: 1.5 %; H2O: 0.5 (oder andere Werte) eingeben 

3.7. Mit dem Button Übernehmen Speichern.

3.2. Im Eingabefeld Definition Erdgas eingeben

Wie die Luft, auch Erdgas definieren

CH4: 92 %;  CO:1 %;  CO2:4 %;  H2S:1 %;  N2:2 %

 

4. Eingangsstoffe des Gesamtprozesses definieren (Inputs)

Menü Project -> Eingänge
 In der folgenden Dialogbox:

4.1. Tabellen ID zu 1 (eins) setzen
Als Tabellennamen: Luftzufuhr schreiben
In den Stoff-Feldern bei Subst. Luft auswählen und mit dem Button Add -> in die Tabelle einfügen

Einstellungen Speichern.

4.2. Tabellen ID zu 2 (zwei) setzen
Als Tabellennamen: Erdgaszufuhr schreiben
In den Stoff-Feldern bei Subst. Erdgas auswählen und mit dem Button Add -> in die Tabelle einfügen

Einstellungen Speichern.

54.3. Tabellen ID zu 3 (drei) setzen
 Als Tabellennamen: Kesselwasser schreiben
In den Stoff-Feldern bei Liquids. H2O (l) auswählen und mit dem Button Add -> in die Tabelle einfügen

Einstellungen Speichern.

4.4. Tabellen ID zu 4 (drei) setzen
 Als Tabellennamen: Frischwasser schreiben
In den Stoff-Feldern bei Liquids. H2O (l) auswählen und mit dem Button Add -> in die Tabelle einfügen

Einstellungen Speichern.

 

Nach diesen Eingaben erscheinen im Hauptfenster vier Unterfenster für Eingänge

 

 

5. Prozesse Definieren

Menü Projekt -> Prozesse

In der folgenden Dialogbox

 

5.1. Prozess ID zu 1  setzen
Prozessnamen: Luft-Wärmetauscher 
Temperatur 200 °C 

Die Auswahlbox T Const. aktivieren (Default ist aktiviert)

Die Auswahlbox Phase gegeben durch thermodynamisches System kann deaktiviert und als Komponente die in der Luft gewählten Stoffe eingefügt werden, wobei in Liquid- und Solid-Phasen ohne Auswahl bleiben können.

Einstellungen Speichern

.

5.2. Prozess ID zu 2  setzen
Prozessnamen: Verbrennung 
Temperatur 1000 °C (als Initialisationswert)

Die Auswahlbox T Const. deaktivieren (Default ist aktiviert)

Die Auswahlbox Phase gegeben durch thermodynamisches System aktivieren  (Default ist aktiviert)

Einstellungen Speichern.

 

5.3. Prozess ID zu 3  setzen
Prozessnamen: Kessel-Wärmetauscher . In diesem Prozess sollen die Reaktionen in der Rohrseite des Wärmetauscher berechnet werden. Die Gase aus der Verbrennung sollen durch die Rohre passieren und dabei auf 500 °C  abgekühlt werden.
Temperatur 500 °C  setzen 

Die Auswahlbox T Const.  aktivieren (Default ist aktiviert)

Die Auswahlbox Phase gegeben durch thermodynamisches System aktivieren  (Default ist aktiviert)

Einstellungen Speichern

 

5.4. Prozess ID zu 4 setzen
Prozessnamen: Abgasreinigung 
Temperatur 80 °C 

Die Auswahlbox T Const.  aktivieren (Default ist aktiviert)

Die Auswahlbox Phase gegeben durch thermodynamisches System aktivieren  (Default ist aktiviert)

Einstellungen Speichern

 

5.5. Prozess ID zu 5 setzen
Prozessnamen: Kessel 
Temperatur 500 °C 

Die Auswahlbox T Const.  aktivieren (Default ist aktiviert)

Die Auswahlbox Phase gegeben durch thermodynamisches System deaktivieren  (Default ist aktiviert)

Als Stoffe nur H2O (g) in die Gas- und H2O (l) in Liquid-Phase einfügen.

Einstellungen Speichern

 

 

6. Massen-Fluss Definieren

Menü Projekt -> Massen-Fluss

In der folgenden Dialogbox

 

6.1. Prozess ID zu 1  setzen

In Box Eingang (input) Luftzufuhr bei 100 % aktivieren

Alle anderen Auswahlboxen sollen deaktiviert bleiben.

Einstellungen Speichern

 

6.2. Prozess ID zu 2  setzen

In Box Eingang (input) Erdgaszufuhr bei 100 % aktivieren

In Box Gase aus  P1 bei 100 % aktivieren

Einstellungen Speichern

 

6.3. Prozess ID zu 3  setzen

In Box Gase aus  P2 bei 100 % aktivieren

In Box Liquids aus  P2 bei 100 % aktivieren

In Box Solids aus  P2 bei 100 % aktivieren

Alle anderen Auswahlboxen sollen deaktiviert bleiben.

Einstellungen Speichern

 

6.4. Prozess ID zu setzen

In Box Eingang (input) Frischwasser bei 100 % aktivieren

In Box Gase aus  P3 bei 100 % aktivieren

In Box Liquids aus  P3 bei 100 % aktivieren

In Box Solids aus  P3 bei 100 % aktivieren

Alle anderen Auswahlboxen sollen deaktiviert bleiben.

Einstellungen Speichern

 

6.5. Prozess ID zu setzen

In Box Eingang (input) Kesselwasser bei 100 % aktivieren

Alle anderen Auswahlboxen sollen deaktiviert bleiben.

Einstellungen Speichern

 

7. Wärme-Fluss

Menü Projekt -> Wärme-Fluss

 

7.1. Prozess ID zu 2  setzen

Auswahlbox T Const. deaktivieren

In der Auswahlgruppen Wärme aus P2. aktivieren. und auswählen, so dass die Farbe für die Auswahlbox für P2 dunkel wird.

In das Eingabefeld 80 eingeben: d.H.80 % der erzeugten Wärme im Prozess bleibt. (20 % verlust).

Sie können hier auch einen anderen Wert eingeben.

Einstellungen Speichern

 

7.2. Prozess ID zu 5  setzen

Auswahlbox T Const. deaktivieren

In der Auswahlgruppen Wärme aus P3. aktivieren. und auswählen, so dass die Farbe für die Auswahlbox für P3 dunkel wird.

In das Eingabefeld 90 eingeben: d.H.90 % der in Prozess 3 erzeugten Wärme in die Kessel übertragen wird.

Sie können hier auch einen anderen Wert eingeben.

Einstellungen Speichern

 

Mit den obigen Eingaben ist die Prozessdefinition beendet

 

8. Definition der zu protokollierenden Variable

Die Menu Darstellung -> Protokoll-Variable (in English Version Monitoring -> Record Variables) führt zu einer Dialogbox.

 

In dieser Dialogbox werden die zu erfassenden Variable vorgegeben. Diese Sind in diesem Beispiel

-  Luftzufuhr in Nm3 für 1 Nm3 Erdgas

-  Temperatur im Brennerraum

-  NO2 und SO2 in Produkten von Gasreinigung

 

Die Ergebnisse der Berechnung nach jedem Berechnungszyklus für den gesamten Prozess in die Protokoll-Tabelle eingetragen.

Die Tabelle wird mit dem Menu Monitoring -> Protokoll-Tabelle (English: Monitoring -> Record Table) angezeigt. 

 

9. Definition der Grafischen Darstellung

mit dem Menu Darstellung -> Grafik-Variable können Grafikvariable definiert werden.

Damit eine Prozessvariable grafisch dargestellt wird, muss sie davor in die Protokoll Tabelle aufgenommen werden.

 

Die in diesem Beispiel aufgenommenen Prozess Variable werden in vier Dimensionsgruppen dargestellt.

 

-  [m3]: Luftzufuhr in Nm3

-  [°C]: Temperatur im Brennerraum und Temperatur im Kessel

-  [mol/mol]: NO2 und SO2 in Produkten 

 

 Als X-Koordinate wird Input Luft gesetzt:

 

 

Im Grafikfenster können die Grafikbereiche mit dem Menü Einstellungen -> Grafikbereiche vorgegeben werden.

Die Darstellung von NOx- und SO2-Konzentrationen erfolgen logarithmisch.

 

10.  Berechnungen

Wichtig: In der Prozess Tabellen für  2 (Verbrennung) , 3 (Kessel-Wärmetauscher) , 4 (Gasreinigung)  Für C (s) in der a.c. -Spalte (1) eingeben. D.h.: fester Kohlenstoff C(s) kann sich im System kann nur als Reinstoff bilden, nicht in einer Mischung

 

 

In der Inputtabelle für Erdgaszufuhr wird einen Wert von 1 [Nm3] gegeben

In der Inputtabelle für Luftzufuhr werden Werte 1 bis 20 gegeben

und nach jeder Eingabe mit der Pfeiltaste auf der Rechten Seite Berechnung durchgeführt.

Damit die Berechnungen nicht unterbrochen werden, wurde für H2O Inputs für Kessel und Gasreinigung einen Wert von 5 kg gegeben.

Die folgende Abbildung zeigt die Temperatur im Brennerraum in Abhängigkeit von der zugeführten Menge von Luft.

 

Temperatur der Verbrennung und C-Masse in verschiedenen Teilprozessen in Abhängigkeit der zugeführten Luft für 1 [Nm3] Erdgas:

 

Temperatur der Verbrennung und NOx-Konzentrationen in verschiedenen Teilprozessen in Abhängigkeit der zugeführten Luft für 1 [Nm3] Erdgas:

 

Temperatur der Verbrennung und SO2-Konzentrationen in verschiedenen Teilprozessen in Abhängigkeit der zugeführten Luft für 1 [Nm3] Erdgas: