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Tel. +49 241 4134492-50
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Ausrüstung
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Die Zementproduktion als vernetzter Prozess
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von Maschinen
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Warum wir uns so viel Mühe geben
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Zyklonströmung bei hoher
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Wärmetauscheroptimierung
Mehlaufgabe auf Zyklon:
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Berechnung des Drehrohrofens
Strömungsdynamisch-thermochemische Ber...
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Berechnung des Ofenkopfes
Ofenkopfströmung:
● Sekundärluft-Tertiärl...
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Onsite-Services:
Manche Verbesserungen
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Referenzen und Beispiele
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Referenzen und Beispiele
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Referenzen und Beispiele
Optimierung der Ofenkopfgestaltung:
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Referenzen und Beispiele
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aixergee - Kompetenz & Service für die Zementindustrie

  1. 1. Alfonsstr. 44 52070 Aachen Tel. +49 241 4134492-50 info@aixergee.de www.aixergee.de Kompetenz & Service für die Zementindustrie
  2. 2. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie aixergee – Kompetenz & Service für Zement Unser Beitrag: Durch die Kombination aus langjähriger Branchenerfahrung und führender Kenntnis im numerischen Engineering können wir die komplexen Prozesse in der Zementindustrie im Detail untersuchen und auf der so geschaffenen Grundlage besser optimieren. Unsere Kunden profitieren von dieser Prozessoptimierung durch geringere Brennstoffkosten, geringe Instandhaltungskosten, geringe Energiekosten und höhere Produktivität
  3. 3. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie aixergee – Kompetenz & Service für Zement Wir helfen Ihnen! ● Bei der Senkung Ihrer Produktionskosten ● Bei der Steigerung Ihrer Produktivität ● Bei der Verbesserung Ihrer Produktions- prozesse ● Bei dem Einsatz von Sekundärbrennstoffen ● Bei der Qualifikation Ihres Personals
  4. 4. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Die Produktion von Zement Produktion Ausrüstung - Maschinen - Automation Betrieb Einsatz- material Brennstoff Roh- material Produkte Klinker Zement Energie Brennstoff Elektrizität
  5. 5. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Die Produktion von Zement Produktion Ausrüstung - Maschinen - Automation Betrieb Einsatz- material Brennstoff Roh- material Produkte Klinker Zement Energie Brennstoff Elektrizität
  6. 6. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Prozessoptimierung Ist-Zustand: Optimierung: Beobachtung Messung Berechnung - konventionell - CFD - CPFD - PFD - Thermochemie - Validation Modifikation der Anlagentechnik Modifikation der Einsatzstoffe Modifikation des Anlagenbetriebs
  7. 7. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Zum Beispiel: Modifikation der Anlagentechnik Wassereindüsung in Mischkamer: ● Untersuchung der Strömungssituation ● Identifikation der Bottlenecks ● Düsenengineering ● Identifikation der geeigneten Positionen und Ausrichtungen der Düsenstöcke ● Verringerung der Ansatzneigung ● Erhöhung der Produktionsleistung ● Stabilisierung des Anlagenbetriebs 35° 500 1500 35° 500 1500
  8. 8. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Zum Beispiel: Modifikation der Anlagentechnik Optimierung der Zyklone: ● Untersuchung der Strömungssituation ● Identifikation der Bottlenecks ● Optimierung der Strömung ● Verringerung des Druckverlustes ● Verringerung der Ansatzneigung ● Verbesserung des Abscheidegrades
  9. 9. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Zum Beispiel: Modifikation der Einsatzstoffe Verbrennung von Reifenschnitzeln im Kalzinator ● Untersuchung des Strömungs-und Verweilzeitverhaltens ● Berechnung des Ausbrands und der Strömung beim Einsatz der Reifenschnitzel ● Festlegung des optimalen Aufgabeortes und der erreichbaren Einsatzmenge ● Identifikation von potentiellen Prozessstörungen und Erarbeitung von Gegenmaßnahmen
  10. 10. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Zum Beispiel: Modifikation des Anlagenbetriebs Alle Eingriffe und Veränderungen in den Produktionsprozess bedingen oder begründen eine Modifikation des Anlagenbetriebs! Wir lassen Sie nach der Implementierung der Modifikation nicht im Regen stehen: ● Optimierung des Anlagenbetriebs auf die neue Situation ● Schulung des Personals ● Betriebsoptimierung auch ohne vorhergehende Anlagenmodifikation
  11. 11. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Die Zementproduktion als vernetzter Prozess
  12. 12. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Die Zementproduktion als komplexer Prozess ● Der Zementprozess ist gekennzeichnet durch: ● Das Vorliegen der (Zwischen-) Produkte in allen Aggregatzuständen – insbesondere feststoffförmig ● Unterschiedlichste Ablaufzeiten von teilweise überlagerten Prozessen (Millisekunden bis zu Stunden) ● Zyklisches – schwingendes Verhalten ● Extrem energieintensiv ● Direkter Kontakt zwischen Brennstoff(-asche) und Produkt ● Hohe Variationsrate der Qualitäten und Quantitäten der Einsatzstoffe möglich ● Kernprozesse sind mineralogisch getrieben ● Als Massenprodukt verträgt Zement keine höheren Produktionskosten
  13. 13. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Prozessoptimierung ist permanente Notwendigkeit ● Der hohe Energiebedarf zwingt zu ständigen Effizienzsteigerungen ● Neue Technologien müssen in die prinzipiell langlebige Anlagenausrüstung integriert werden ● Permanenter Kostendruck bewirkt den Einsatz immer minderwertigerer Brennstoffe / Reststoffe ● Wachsende Umweltauflagen verlangen immer umweltschonendere, und besser geführte Produktionsweise
  14. 14. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Von der Analyse zur Optimierung Ist-Zustand Optimierung Analyse Vorschlag Umsetzung Anlagenbegutachtung: ● Beobachtung ● Messung Berechnung: ● konventionell ● CFD ● CPFD ● Thermochemie ● Verbrennung ● Energiebilanz ● ... Beschaffung: ● Lieferanten ● Partner Engineering: ● Verfahrenstechnik ● Stoff- und Energiebilanzen ● Konstruktion ● Bauteil ● Elektrik/Automation ● Behörden ● Projektmanagement ● Behördenengineering ● Resourcenbeschaffung ● Lieferung ● Montage ● Inbetriebnahme ● Optimierung ● Leistungsnachweis ● Training Finanzierung: Projektplanung:
  15. 15. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Wie wir für Sie arbeiten Anlagenbetrieb Auslegung von Maschinen u. Anlagen Konstruktion von Maschinen u. Anlagen Berechnung von: - Strömungen - Druckverlusten - Ausbrandraten - Chemischen Zusammensetzungen - Kalzinationsraten - Emissionen - Partikelbahnen ... ProduktionsprozessProduktionsprozess
  16. 16. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Numerische Engineeringwerkzeuge Werkzeug Anwendung Beispiel Verbrennungsprozesse Ofenbrenner … … PFD … Thermochemie CFD (mit zusätzlichen Modellen zur Berücksichtigung des Partikelverhaltens) FLUENT „Reingas“ und gering beladene Mehrphasenströmungen Filter, Gasströmungen in Apparaten und Leitungen Strömungen mit überlagerten Reaktionen und Strahlungstransport Kalzinatorströmung mit Augenmerk auf Gas CPFD Barracuda hoch beladene Gasströmungen Zyklonströmungen, Mehleinbringungen, statische Sichter durchströmte Haufwerke Festbett- und Wirbelbettreaktoren Bunkeraustragsströmung Partikelströmungen Siloausträge, Feststoffströmungen Mehrkomponenten- und Mehrphasenreaktionen Vorausberechnung der Abgaszusammensetzung Vorausberechnung der (Zwischen-)Produktzusam mensetzung PartikelGas
  17. 17. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Warum wir uns so viel Mühe geben E-Filterströmung – nach und vor der Optimierung ●Bessere Strömungsverteilung ●Längere mittlere Verweilzeit ●Bessere Abscheideleistung ●Geringerer Druckverlust bei äußerlich gleicher Erscheinung!
  18. 18. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie CFD für die Zementindustrie: Einige Beispiele
  19. 19. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Wärmetauscheroptimierung Zyklonströmung bei hoher Feststoffbeladung: ● Partikel werden als solche berechnet und dargestellt ● Der Impulsaustausch der Partikel untereinandert wird berücksichtigt ● Der Impulsaustausch der Partikel zum Gas wird berücksichtigt ● Unterschiedliche Partikelgrößen und Kornbandverteilungen werden berücksichtigt ● Dynamisches Verhalten wird dargestellt zurück
  20. 20. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Wärmetauscheroptimierung Mehlaufgabe auf Zyklon: ● dynamisches Verhalten ● Partikelgrößen- abhängigkeit Untersuchungsergebnisse: ● Zyklizität bei beidseitiger Aufgabe ● Ausbildung von Partikelwolken ● sub-optimaler Abscheidegrad zurück
  21. 21. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Wärmetauscheroptimierung Mehlverteilerweiche: ● Partikelsträhnen ● dynamisches Austragsverhalten aus der Zyklonspitze ● asymmetrisches Eintrittsverhalten in Mehlverteilerweiche ● Klappenstellung ungleich Mehlverteilung zurück
  22. 22. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Kalzinatoroptimierung Aufgabe stückigen Brennstoffs im Kalzinator: ● Partikellaufbahnen ● Verweilzeitverhalten ● Ausbrand nach Partikelgröße ● Kalzinationsfortschritt ● Kollisions- und Anhaftungsorte zurück
  23. 23. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Berechnung des Drehrohrofens Strömungsdynamisch-thermochemische Berechnung des Ofenprozesses: CaO C3S CaCO3 C2S zurück
  24. 24. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Berechnung des Drehrohrbrenners Berechnung des Ofenbrenners: ● Unterschiedliche (Sekundär-) Brennstoffe ● Auswirkung auf die Flammenform (Wärmefreisetzungszonen) Untersuchungsergebnisse: ● „Niederregnen“ von unausgebranntem Brennstoff ● Auswirkungen auf O2- Angebot an der Bettoberfläche ● Qualitätsprobleme Kohle: Tiermehl: Fluff: zurück
  25. 25. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Berechnung des Ofenkopfes Ofenkopfströmung: ● Sekundärluft-Tertiärluftsplit ● Strömung im Ofenkopf ● Staubbeladung ● Druckverlustminderung durch Rotationsabsetzkammer ● Entstaubungsleistung für die Tertiärluft zurück
  26. 26. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Onsite-Services: Manche Verbesserungen sind auch ohne numerisches Engineering möglich: ● Optimierung der Anlagenbetriebs ● Optimierung der Regelkreise und Produktionsführungs- strategien ● Training des Personals ● Durchführung von Leistungstests ● Anlagenassessment
  27. 27. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Der Vorteil für Sie: sofortiger ROI! Beispielhafte Abschätzung der Wirtschaftlichkeit Annahmen: Energiekosten: 20€/t Produktionsleistung: 3000t/d Beispiel erreichte Einsparung Kosten Amortisation aixergee Umbau % €/t €/d € € Tage 1 0,2 600 15.000 10.000 42 Optimierung SNCR 3 0,6 1800 20.000 100.000 67 Optimierung Sekundärbrennstoff 5 1 3000 35.000 300.000 112 Umstellung neuer Sek.-Brennstoff 10 2 6000 65.000 800.000 144 Repositionierung SNCR Return innerhalb von wenigen Monaten möglich !
  28. 28. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Was wir für Sie tun können Ist-Zustand Optimierung Analyse Vorschlag Umsetzung Anlagenbegutachtung: ● Beobachtung ● Messung ● Berichterstattung Berechnung: ● konventionell ● CFD ● CPFD ● Thermochemie ● Verbrennung ● Energiebilanz ● ... Studien / Berichte: ● Betriebsoptimierung ● Machbarkeitsstudien ● Szenariostudien Engineering: ● Basic engineering ● Detail engineering ● Spezifikation der benöt. Ausrüstung ● Auswahl der benöt. Ausrüstung ● Design der benöt. Ausrüstung ● Optimierung des Anlagenbetriebs vor Ort ● Projektmanagement ● Behördenengineering ● Personalgestellung für Inbetriebnahme, Leistungstests und Optimierungen ● Training / Qualifikation
  29. 29. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustr - Wir setzen Ihre Energie um! Für mehr Information wenden Sie sich an: aixergee – process optimisation Alfonsstrasse 44 52070 Aachen Tel.: +49 241 413 44 92 40 info@aixergee.de www.aixergee.de
  30. 30. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Referenzen und Beispiele ● Verbrennungsmodelle für: – Rostfeuerung – Kohlenstaub – Nachverbrennung – Öl- und Gasbrenner ● Brennstoffe: – Gas-Phasen Verbrenungsprodukte: ● H2 , H2 O, O2 , CO, CO2 , CH4 , O3 , N2 ,... – Koksausbrand (auch für Rest- und Abfallbrennstoffe) – Sekundärbrenstoffe (z.B. Fluff, Altreifen, biogene Reststofffe ...) – Biomasse – Schadstoffe und Spuren: ● Nox , Schwermetalle, Alkali- u. Erdalkalimetalle ● Physikalische Modelle für: – Strahlung, Konvektion, Wärmeleitung – Turbulenz (unterschiedliche Modelle) – Feststoffe, Staubkonzentrationen, Schmelzen
  31. 31. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Referenzen und Beispiele vorher nachher Verteilung des Reduktionsmittels Optimierung des SNCR- Verfahrens: ● Berechnung der Verdampfungspfade ● Berechnung der Randgängigkeit ● Optimierung der Düsenposition und -ausrichtung ● Düsenauswahl und -engineering
  32. 32. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Referenzen und Beispiele Optimierung der Ofenkopfgestaltung: ● Berechnung der Einströmung in die Tertiärluftleitung ● Optimierung der Strömungsgeometrie durch den Einsatz von Leitblechen ● Minimierung der Staubbeladung der Tertiärluft ● Verringerung des Druckverlustes des Ofenkopfes ● Verbesserung des Kalzinatorbetriebs
  33. 33. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Referenzen und Beispiele Optimierung der Mehlbox: ● Berechnung des 2- Phasengemischs unter vollständiger Berücksichtigung des Einflusses der Mehlpartikel ● Gleichverteilung des Mehls in den aufsteigenden Gasstrom ● Optimierung des Wärmetransports ● Effizienzsteigerung des Wärmetauschers ● Detailoptimierung an der Splash-plate Darstellung der Suspension der Mehlpartikel in der Strömung
  34. 34. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Mehrphasenströmungen ● Zyklon ● Kalzinator ● Sichter ● Filter ● Siloaustrag ● Bunkerströmungen ● … ● Bei hohen Beladungen (>5vol-%) schwierig zu berechnen ● Besonders bedeutungsvoll in der Zementindustrie
  35. 35. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Mehrphasenströmungen: ● Komplexität der herrschenden physikalischen Vorgänge ● Stark unterschiedliche Größen- und Zeitskalen ● Geschlossene Modellierung und Berechnung nicht möglich ● 2 unterschiedliche Ansätze stehen zur Verfügung: 1. Euler/Lagrange 2. Euler/Euler ● Beide Ansätze haben Stärken und Schwächen
  36. 36. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Euler/Lagrange-Ansatz: ● Für die Partikel werden die Bewegungsgleichungen diskrete gelöst ● Kräftebilanz um Partikel ● Partikel führt seine granularen Eigenschaften mit sich ● Für das Fluid werden die Erhaltungsgleichungen in den Gitterzellen gelöst ● Impuls, Massen- und Energieerhaltung + Die Partikel behalten ihre granularen Eingenschaften - die beiden Phasen werden in unterschiedlichen Bezugssystemen geführt und deren Interaktion muss aufwendig modelliert werden Zeitab- hängigkeit Advektion Diffusion Quellterm
  37. 37. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Euler/Euler-Ansatz: ● Jede (beide) Phase wird als Fluid behandelt ● Für jede Phase werden die Erhaltungsgleichungen kontinuumsmechanisch gelöst ● Partikel können als „Pseudo-Fluide“ modelliert werden ● Phasenübergänge werden berücksichtigt + Interaktion zwischen den Phasen wird vollständig und geschlossen berücksichtigt - Partikel verlieren ihre granularen Eigenschaften (Größe, Korngrößenverteilung...) Phasenübergang
  38. 38. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie BARRACUDA® CPFD Neuartiger CFD-Code schließt die Lücke zwischen den beiden herkömmlichen Methoden ● Fluid wird in Euler'schem Gitter berechnet ● Partikel werden grundsätzlich in einem Langrange-Modell berechnet ● Die Partikeleigenschaften werden auf das Euler'sche Gitter aufgeprägt und die Auswirkungen der Strömung auf diese wiederum zurück auf die Partikel. ● Vollkommen geschlossene Modellierung der Partikel-Interaktionen untereinander und auf die Gasphase ● Partikel behalten Ihre granularen Eigenschaften ● Einsetzbar auch bei Beladungen >5vol-%
  39. 39. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Standard Euler-Lagrange-Methode (SEL) Standard Euler-Granular-Methode (SEG) Computational Particle Fluid Dynamics (CPFD) Extended Euler-Lagrange-Methode (EEL) Extended Euler-Granular-Methode (EEG) Discrete-Element-Methode (DEM) Berechnung diskreter Partikel mit Partikel- Partikel-Interaktion und bi-direktionaler Kopplung der Fluid-Partikel-Interaktion. Das Partikel verdrängt in der Zelle des Euler'schen Gitters ein best. Gasvolumen Um Partikelkollisionen, Agglomerationsverhalten und anderes erweitertes SEL SEG erweitert um die Abbildung der Reibungsviskosität der Feststoffphase nahe der Packungsdichte Detaillierte Berechnung der Partikel-Partikel- Interaktionen unter Berücksichtigung der Partikelgröße und -gestalt – Fluide können nicht berücksichtigt werden Explizite Berechnung diskreter Partikel ohne Partikel-Partikel-Interaktion – nur für verdünnte Strömungen gültig Die Feststoff-Phase wird wie ein „Pseudo-Fluid“ mit spezifischen Eigenschaften behandelt – Probleme bei Beladungen nahe der Pack.-dichte
  40. 40. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie SEL SEG CPFD EEL EEG DEM fluid physics ++ + + ++ + -- inertia effects + + ++ ++ + o particle size distribution ++ - ++ ++ - ++ large particles o - o o - + particle form o - o o - + particle-particle-interaction -- o + + o ++ packing limit -- o ++ - o ++ multi-physics + - + ++ o - accretion/obstruction -- o + - + + dynamic/static - o + - + o complex geometry ++ o - ++ - o computation efficiency + o o - + - -- very bad - bad o moderate + good ++ very good
  41. 41. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustr - Wir setzen Ihre Energie um! Für mehr Information wenden Sie sich an: aixergee – process optimisation Alfonsstrasse 44 52070 Aachen Tel.: +49 241 413 44 92 40 info@aixergee.de www.aixergee.de

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