ADVANCED SOLUTIONS FOR GLASS MELTING CONDITIONING FORMING FEJLETT KEMENCEVEZÉRLÉS és a tüzelési folyamat matematikai szimuláció eszközével történő optimalizálásának gyakorlati tapasztalatai Miroslav Kováč Budapest, 2017. november 14.
2. Az előadás tartalma -Alapvetések - Szimulációs folyamat - Esetek összehasonlítása - Gyakorlati példák - Konklúzió 2
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
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
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
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 + 1 / 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
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
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
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
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
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
5. LÉPÉS EREDMÉNYEK A MODELL ÁTTEKINTÉSE U-lángú, regenerátoros csomagoló üveg kemence hőmérséklet eloszlás az olvasztótérben, keverék lefedettség, lángok, légáramlás a regenerátorban 12
. 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
7. LÉPÉS RÉSZECSKÉK NYOMON KÖVETÉSE 14
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
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
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
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 8379,0 16 50 56,55 71,05 22.5 16 45 56,55 93,75 22.5 16 45 56,55 93,75 25 2 21,0% 798,0 8379,0 16 50 56,55 71,05 22.5 16 45 56,55 93,75 22.5 16 45 56,55 93,75 25 3 17,7% 672,6 7062,3 16 50 47,66 59,88 22.5 16 45 47,66 79,02 22.5 16 45 47,66 79,02 25 4 17,7% 672,6 7062,3 16 50 47,66 59,88 22.5 16 45 47,66 79,02 22.5 16 45 47,66 79,02 25 5 17,7% 672,6 7062,3 16 50 47,66 59,88 22.5 16 45 47,66 79,02 22.5 16 45 47,66 79,02 25 6 4,9% 186,2 1955,1 16 50 13,19 16,58 28 16 32 13,19 80,82 28 16 32 13,19 80,82 28 SUM 100% 3800 39900 18
0001 1320 C 0002 1320 C HŐMÉRSÉKLETI PROFILOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA AZ ÉGŐK SZINTJÉN 0003 1300 C 0004 1300 C 0005 1300 C 0006 1300 C 1540 1480 Alaphelyzet 1480 1600 1540 1780 1480 0007 1541 C 1600 0008 1654 C 0009 1665 C 1660 0010 1671 C 0012 1689 C 0011 1427 C 1480 1600 1540 1480 1540 1480 1660 1600 1660 1540 0006 1572 C 0005 1614 C 0004 1628 C 0003 1626 C 0002 1629 C 0001 1456 C 1720 1540 0006 1565 C 1660 0005 1614 C 0004 1631 C 0003 1631 C 1660 0002 1632 C 0001 1449 C Variáció 2 Variáció 1 Temperature [ C] 1000 1060 1120 1180 1240 1300 1360 1420 1480 1540 1600 1660 1720 1780 1840 1900 19
SEBESSÉG PROFIL AZ ÉGŐK SZINTJÉN 3 0 0 Alaphelyzet 3 12 0 6 9 3 6 0 0 0 0 9 0 3 3 0 0 0 3 6 9 9 12 6 12 9 6 0 3 0 9 0 6 0 3 0 Variáció 2 12 3 0 Variáció 1 Velocity Y Component [m/ s] 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 20
HŐMÉRSÉKLETI PROFIL AZ ÉGŐK SZINTJÉN 20 4.32e+006 4.32e+006 20 1200 72000 Alaphelyzet 20 20 1200 72000 20 20 1200 72000 4.32e+006 4.32e+006 20 20 1200 72000 4.32e+006 4.32e+006 20 20 1200 72000 20 20 1200 72000 Variáció 2 Variáció 1 Flame luminosity [W/ m3] 20 30 50 100 200 500 1000 2000 5000 9500 20000 50000 200000 500000 2e+006 5e+006 2e+007 5e+007 2.2e+008 21
EL-NEM-ÉGETT TÜZELŐANYAG PROFIL AZ ÉGŐK SZINTJÉN 0.25 0.25 0.25 0.5 0.25 0.5 0.5 0.25 Unburnt fuel 1 [%] 0 0.0625 0.125 0.1875 0.25 0.3125 0.375 0.4375 0.5 0.5625 0.625 0.6875 0.75 0.8125 0.875 0.9375 1 1.0625 1.125 1.1875 1.25 22
GYAKORLATI PÉLDA 23
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.
GYAKORLATI PÉLDA 1.3. változat 25
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 5.593 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: 34.367 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
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 4.847 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: 34.367 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
GYAKORLATI PÉLDA A KEMENCE HŐMÉRLEGE A KÜLÖNBÖZŐ VARIÁCIÓKRA Variáció szám 3-2 3-3 A tüzelésből származó hő (MW) 4.486 4,316 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 (%) 3-2 470 0 3-3 453 3,4 28
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
ADVANCED SOLUTIONS FOR GLASS MELTING CONDITIONING FORMING THANK YOU FOR YOUR ATTENTION! Kapcsolat: GLASS SERVICE, INC. ROKYTNICE 60 755 01 VSETIN CZECH REPUBLIC TEL: +420 571 498 511 INFO@GSL.CZ WEBSITE: HTTP://WWW.GSL.CZ 30