FEJLETT KEMENCEVEZÉRLÉS és a tüzelési folyamat matematikai szimuláció eszközével történő optimalizálásának gyakorlati tapasztalatai

Átírás

1 ADVANCED SOLUTIONS FOR GLASS MELTING CONDITIONING FORMING FEJLETT KEMENCEVEZÉRLÉS és a tüzelési folyamat matematikai szimuláció eszközével történő optimalizálásának gyakorlati tapasztalatai Miroslav Kováč Budapest, november 14.

2 2. Az előadás tartalma -Alapvetések - Szimulációs folyamat - Esetek összehasonlítása - Gyakorlati példák - Konklúzió 2

3 3. MI A MATEMATIKAI SZIMULÁCIÓ? Mi a CFD (Computational Fluid Dynamics = folyadék dinamika számítógéppel)? CFD a folyadék mechanika olyan ága, mely számok és algoritmusok alkalmazásával elemzi és oldja meg a folyadékáramlási problémákat. A folyamatok szimulálásához szükséges sok millió számítás elvégzésére számítógépeket alkalmaznak. Szimuláció: CFD-vel kiszámítható a folyadékok és gázok áramlása, hőátadása és a tömegátvitele, kémiai reakciók, stb. Analízis: CFD betekintést nyújt a szimulált rendszerbe, mely lehetőséget nyújt a szimulált rendszer fejlesztésére 3D megjelenítés, beleértve az animációt is statisztikai és mennyiségi kiértékelés 3

4 INTRODUCTION 4. HOGYAN MŰKÖDIK A CFD MODELLEZÉS? A CFD modellezés tipikus lépései: Előkészítés 1. tervezés (alak) 2. peremfeltételek 3. diszkretizálás (rács, háló) Szimuláció 4. kalkuláció (konvergencia) Utómunkák 5. megjelenítés 6. szöveges eredmény kiértékelése 7. részecskék nyomon követése 8. egyéb utómunkák 4

5 INTRODUCTION 5. MI AZ ÉGÉSI FOLYAMAT? Az égési folyamat a tüzelőanyag és az oxigén között lezajló oxidációs reakció. A tüzelő anyag lehet: szilárd halmazállapotú: szén, petrolkoksz, fa folyékony: nehézolaj, dízelolaj gáz: földgáz, propán, kokszgáz, gázok különféle keveréke Az oxigén szokásos forrásai: rekuperátorban előmelegített levegő regenerátorban előmelegített levegő hideg levegő különféle oxigénforrások: VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption), PSA (Pressure Swing Adsorption) tárolótartály, kriogén egység 5

6 INTRODUCTION 6. AZ ÉGÉS TIPIKUS KÉMIAI REAKCIÓI: általában az éghető anyagok különböző összetételben: C, H, S tipikus teljes égési reakció: C+O 2 >CO 2, H / 2 O 2 >H 2 O, S+O 2 >SO 2 + HŐ tipikus részleges égési reakciók: C + 1 / 2 O 2 >CO, S+ 1 / 2 O 2 >SO + HŐ Ez azt jelenti, hogy az égés mindig exoterm reakció a fent leírt reakciók leegyszerűsítettek, csak a kémia reakció utolsó lépését mutatják 6

7 1. LÉPÉS TERVEZÉS CAD (Compter-Aided Design) számítógépes technológia alkalmazása tárgyak megtervezésére 3D modellek tervrajzon: alak (méretek), anyagok szükséges adatok: tervrajzok, anyagok tulajdonságai, hűtési sebesség (vízzel) hűtött tárgyaknál, elektromos pótfűtés kapcsolódásai, keverők paraméterei, regenerátor rácsok paraméterei 7

8 2. LÉPÉS PEREMFELTÉTELEK A peremfeltételek írják le a modell körül lévő feltételeket és állapotot, valamint megadják a modell inputjait 3D modellek a tervrajzok alapján: alak (méretek), anyagok néhány példa a jellemzően szükséges adatokra: környező tér: a kemence körüli nyugalmi állapotban lévő levegő hőmérséklete mesterséges léghűtés: a külső felületre fújt levegő mennyisége és hőmérséklete keverék-adagolás és kivétel: hőmérséklet, áramló mennyiségek égők és égőszájak: tüzelőanyag és oxidálószer mennyiségek, koncentráció és hőmérséklet füstgáz: mennyiség buborékoltató: gáz mennyiségek 8

9 3. LÉPÉS DISZKRETIZÁLÁS A modell felosztása nagyszámú cellára (un. megfigyelt térfogatok) a felhasználó által meghatározott paraméterekkel a folyamat elnevezése rácsgenerálás vagy hálózás a fenntartás/egyensúly matematikai egyenletei megoldottak és kielégítőnek kell lennie minden cellában kompromisszum szükséges a modell pontossága (nagyszámú cella) és a kalkulációs sebesség között (kisszámú cella) eredeti alak, diszkrét (jól meghatározott értékű) alak eredeti alak diszkrét (jól meghatározott értékű) alak 9

10 közelítő eljárás 4. LÉPÉS KALKULÁCIÓ a változó/skaláris értékek (hőmérséklet, sebesség, nyomás, tüzelőanyag és oxidálószer koncentrátum, turbulens mennyiségek, stb.) folyamatosan újraszámítódnak a megfigyelt térfogatokban - azért szükséges az ismétlés, mert - az egyenletek össze vannak kapcsolva és az egyidejű megoldásuk közben hatnak egymásra - a kalkuláció során felhasznált egyenletek és a fizikai tulajdonságok közül néhány nem-lineáris cél: a teljes modellben, azaz minden megfigyelt cellában kielégítendők a fenntartás/egyensúly egyenletek megoldások a kalkulációkat végrehajtó programok szükséges adatok: üveg tulajdonságok, tüzelő és oxidálószer tulajdonságok, további üzemelési adatok (elektromos áram, PID szabályzó) 10

11 5. LÉPÉS EREDMÉNYEK FIZIKAI MEZŐK kalkuláció eredmények: a fizikai mezők olyan fájlok, melyek információt adnak a kalkulált változókról (skaláris) pl. hőmérséklet, sebesség, minden diszkrét alak minden egyes megfigyelt térfogatában (cellájában) 11

12 5. LÉPÉS EREDMÉNYEK A MODELL ÁTTEKINTÉSE U-lángú, regenerátoros csomagoló üveg kemence hőmérséklet eloszlás az olvasztótérben, keverék lefedettség, lángok, légáramlás a regenerátorban 12

13 . 6. LÉPÉS SZÖVEGES KIÉRTÉKELÉS A program által kiadott szöveg - hő és tömegegyensúly információk - hőveszteségek és hőforrások - víz és léghűtéses egységek - információk a be- és kimenetekről - égők, égőszájak, füstelvezetés - keverék-adagolás, üveg kivétel -információk bizonyos tulajdonságokról - elektródák és transzformátorok - buborékoltatók a kiértékelés a modell bármely részén elvégezhető a kívánt információ megszerzése érdekében 13

14 7. LÉPÉS RÉSZECSKÉK NYOMON KÖVETÉSE 14

15 7. LÉPÉS - RÉSZECSKE FAJTÁK tömegnélküli részecskék: csak együtt áramlanak az üveggel homok szemcsék: követik az üveg áramlását, de érzik a felhajtóerőt az olvadék és a SiO 2 fajsúlya közötti különbség miatt. A szemcseméret változik, mert a homok szemcsék fokozatosan felolvadnak. buborékok: érzik a felhajtóerőt. A méretük változik a gáz mozgása, a hőmérséklet változása, a nyomás változása (mélységi szintváltozás) miatt. A méretkalkuláció ennek megfelelően magában foglalja a buborékok belsejében lévő gázkoncentrációt. 15

16 8. LÉPÉS EGYÉB UTÓMUNKÁK - kiegészítésként az alábbi utómunkák végezhetők el az eredményeken - REDOX: ionok és fel-nem oldott gázok az olvadékban, a buborékok nyomon követésére használható fel szennyező anyagok képződése - NO x képződés - NaOH (nátrium-hidroxid) kipárolgás általános kipárolgási fajták 16

17 ESETEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA jellemzően egy alaphelyzet szimulálása történik meg először az alaphelyzet egy kezdeti, normál kemence elrendezést és működési körülményeket ábrázol a variációk bemutatják a változtatásokat, amiket tesztelni kívánunk amint az alap eset és a variációk együtt állnak, az eredmények összehasonlíthatók a vizsgálat céljától függően összehasonlítjuk: tüzelőanyag felhasználás hőmérleg üvegminőség hőmérsékletek (pl. a fenék termométerek elhelyezése szerint) környezetvédelmi mutatók (CO 2, NO x, ) Lényeges, hogy az új elrendezés helyesen legyen meghatározva. A működési paramétereknek meg kell felelni egy tényleges üzemeltetésnek. Példa: Ha a kivétel változik egy csomagoló üveg kemencében, a kezelő megváltoztatná a gáz mennyiségét, a levegő mennyiségét és/vagy az elektromos pótfűtés teljesítményét. A vizsgálat során ugyanezt meg kell tenni. 17

18 ESETEK ÖSSZEHASONLÍTÁS ARÁNY 10.5 Alaphelyzet 1. variáció, átmérők változtatása 2. variáció, átmérők és szögek változtatása Port % Gas [Sm3/hr] AIR [sm3/hr] Gas inner diameter[ mm] Gas inner diameter [mm] Inner gas velocity [m/s] Outter gas velocity [m/s] Burners angle Gas inner diameter[ mm] Gas inner diameter [mm] Inner gas velocity [m/s] Outter gas velocity [m/s] Burners angle Gas inner diameter[ mm] Gas inner diameter [mm] Inner gas velocity [m/s] Outter gas velocity [m/s] Burners angle 1 21,0% 798,0 8379, ,55 71, ,55 93, ,55 93, ,0% 798,0 8379, ,55 71, ,55 93, ,55 93, ,7% 672,6 7062, ,66 59, ,66 79, ,66 79, ,7% 672,6 7062, ,66 59, ,66 79, ,66 79, ,7% 672,6 7062, ,66 59, ,66 79, ,66 79, ,9% 186,2 1955, ,19 16, ,19 80, ,19 80,82 28 SUM 100%

19 C C HŐMÉRSÉKLETI PROFILOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA AZ ÉGŐK SZINTJÉN C C C C Alaphelyzet C C C C C C C C C C C C C C C C C C Variáció 2 Variáció 1 Temperature [ C]

20 SEBESSÉG PROFIL AZ ÉGŐK SZINTJÉN Alaphelyzet Variáció Variáció 1 Velocity Y Component [m/ s]

21 HŐMÉRSÉKLETI PROFIL AZ ÉGŐK SZINTJÉN e e Alaphelyzet e e e e Variáció 2 Variáció 1 Flame luminosity [W/ m3] e+006 5e+006 2e+007 5e e

22 EL-NEM-ÉGETT TÜZELŐANYAG PROFIL AZ ÉGŐK SZINTJÉN Unburnt fuel 1 [%]

23 GYAKORLATI PÉLDA 23

24 GYAKORLATI PÉLDA 1.1 változat Az olvasztótér falakon kisebb a hőveszteség, mert nincs fals levegő beáramlás, mely lehűtené a modell falait. Az üvegbe történő hőátadás jelentősen magasabb több tényező együtthatásaként: a hideg, fals levegő nincs jelen, alacsonyabb tüzelési fok, és a tüzelőanyag eltérő elégési profilja a kemencében az eltérő égők miatt (kevesebb égés a füstelvezető térben, több a kemencén belül) Az üveghőmérséklet jelentősen megemelkedik (1230 o C az átfolyóban) így az energia átadás 24 sokkal hatékonyabb.

25 GYAKORLATI PÉLDA 1.3. változat 25

26 GYAKORLATI PÉLDA A FOLYAMAT PARAMÉTEREI ÁTTEKINTÉSE 3-2 MODEL 3-2 variáció Üveg: boroszilikát Teljes gáz: 470 Nm 3 /óra Kivétel: 25,1 tonna/nap max 2 égő égőszájanként (ViVi égők) Beadagolás: csak a bal oldalról (25,1 t/nap) Baloldali égő: 470 m 3 /óra Adagoló csatorna: 23,8 t/nap Jobboldali égő: 0 m 3 /óra (használaton kívül) Cserép: 35 % Az égők vertikális szöge: 7 o fel Nedvesség: 4 % Gát korrózió: 50 % Teljes égési levegő felhasználás Nm 3 /óra Az oldalfalról a szigetelés eltávolítva, AZS lapokkal mögé falazva Sztohiometrikus gáz/levegő arány: 1:9,69 Átfolyó korrózió 100 % a fedőlapon Modellezett gáz/levegő arány: 1:11,9 A megbízó által szolgáltatott adatok szerinti üvegösszetétel: SiO 2 77,766, B 2 O 3 13,0, Al 2 O 3 2,5, Na 2 O 5,7, K 2 O 1,0, Fe 2 O 3 0,034, összesen 100 % Előmelegített levegő hőmérséklet: 980 o C Gáz hőmérséklet: 8 o C Elektromos pótfűtés: 166 kw Elektróda típus: molibdén Csak a baloldali égők üzemelnek! A gáz összetétele és fűtőértéke a felhasználó által megadott. Elektromos energia a beadagolónál: 118 kw (diaméter 48 mm) Gáz fűtőértéke: kj/m 3 Elektromos energia az adagoló csatornánál: 48 kw (átmérő 40 mm) Az elektródák hűtését is szimuláltuk Az oldalfal hűtése (az üvegszinten) alkalmazott. 26

27 GYAKORLATI PÉLDA A FOLYAMAT PARAMÉTEREINEK ÁTTEKINTÉSE 3-3 A 3-2 variációtól való eltérés zöld színnel jelölve MODEL 3-3 variáció FLAMMATEC égők beépítésével Üveg: boroszilikát Kivétel: 25,1 tonna/nap max Beadagolás: csak a bal oldalról (25,1 t/nap) Adagoló csatorna: 23,8 t/nap Cserép: 35 % Nedvesség: 4 % Teljes gáz: 453 Nm 3 /óra 2 égő égőszájanként (FLAMMATEC égők) Baloldali égő: 453 m 3 /óra Jobboldali égő: 0 m 3 /óra (használaton kívül) Az égők vertikális szöge: 7 o fel Horizontális szög: 5 o a kemence centrum felé Gát korrózió: 50 % Teljes égési levegő felhasználás Nm 3 /ó Az oldalfalról a szigetelés eltávolítva, AZS lapokkal mögéfalazva Sztohiometrikus gáz/levegő arány: 1:9,69 Átfolyó korrózió 100 % a fedőlapon Modellezett gáz/levegő arány: 1:10,7 A megbízó által szolgáltatott adatok szerinti üvegösszetétel: SiO 2 77,766, B 2 O 3 13,0, Al 2 O 3 2,5, Na 2 O 5,7, K 2 O 1,0, Fe 2 O 3 0,034, összesen 100 % Előmelegített levegő hőmérséklet: 980 o C Gáz hőmérséklet: 8 o C Elektromos pótfűtés: 166 kw Elektróda típus: molibdén Csak a baloldali égők üzemelnek! A gáz összetétele és fűtőértéke a felhasználó által megadott. Elektromos energia a beadagolónál: 118 kw (diaméter 48 mm) Gáz fűtőértéke: kj/m 3 Elektromos energia az adagoló csatornánál: 48 kw (átmérő 40 mm) Az elektródák hűtését is szimuláltuk Az oldalfal hűtése (az üvegszinten) alkalmazott. 27

28 GYAKORLATI PÉLDA A KEMENCE HŐMÉRLEGE A KÜLÖNBÖZŐ VARIÁCIÓKRA Variáció szám A tüzelésből származó hő (MW) ,316 Gáz+tüzelési levegő(mw) 2,017 1,747 Kibocsájtott füstgáz (MW) 4,127 3,682 A tüzelőtér falak hővesztesége (MW) 1,053 1,054 A tüzelési modellből bevitt energia az üveg+keverék+felépítménybe (MW) 1,323 1,323 A beadagolt keverék energiatartalma (MW) 0,015 0,015 A keverék gáztartalom és nedvessége által kivont energia (MW) 0,047 0,047 A keverék reakcióhője (MW) 0,194 0,193 Az üveggel érintkező fal hővesztesége (MW) 0,761 0,761 Elektromos pótfűtés (MW) 0,166 0,166 Elektróda hűtés (MW) 0,030 0,030 A kilépő üveg energiatartalma (MW) 0,472 0,476 Variáció Teljes gázmennyiség (Nm 3 /óra) Tüzelőanyag megtakarítás (%) ,4 28

29 KONKLÚZIÓ A KEMENCE VEZÉRLÉS MATEMATIKAI MODELLEZÉSÉNEK ELŐNYEI - nagyon nagyfokú pontosság - a megépítés előtt nagyszámú alternatíva vizsgálható - az energiafelhasználás kontra minőség jó kiértékelhetősége - a kemence esetleges gyenge pontjainak felderítése - a kibocsájtási értékek előrejelzése - a kemence üzemelésében beálló változások előnyeinek/hátrányainak reális megközelítése - nagyon reális ár 29

30 ADVANCED SOLUTIONS FOR GLASS MELTING CONDITIONING FORMING THANK YOU FOR YOUR ATTENTION! Kapcsolat: GLASS SERVICE, INC. ROKYTNICE VSETIN CZECH REPUBLIC TEL: WEBSITE: 30