Die kontinuierliche Erhöhung des Anteils an installierter neuer Energie stellt höhere Anforderungen an die Flexibilität von kohlebefeuerten Kraftwerken, einschließlich überkritischer zirkulierender Wirbelschichtkessel (circulating fluidized bed, CFB). Anhand eines 350-MW-CFB-Kessels wurde mit der Methode der computergestützten Partikelfluiddynamik (computational particle fluid dynamics, CPFD) eine Simulationsstudie der Reaktionseigenschaften der inneren Prozessabläufe unter variablen Lastbedingungen durchgeführt und der Einfluss von Verbrennungs- und Umlaufinterventionen auf die Laständerungsgeschwindigkeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Lasterhöhung die durchschnittliche Ansprechrate der Wärmeflussdichte im Niedriglastbereich (30 % bis 50 % der Nennauslastung der Anlage) etwa 38 % niedriger ist als im Hochlastbereich (über 50 % der Nennauslastung). Betrachtet man nur den Hochlastbereich, so erfolgt bei Lastabsenkung die Reaktion der Wärmeflussdichte schneller, mit einer Änderungsrate, die etwa 31 % höher ist als bei Lastanstieg. Bei unterschiedlichen Laständerungsamplituden reagieren die Partikelkonzentration in der Brennkammer und die Intensität des konvektiven Wärmeaustauschs schnell, während die Temperaturänderung im Kessel etwas verzögert ist, was darauf hinweist, dass CFB-Kessel stärker auf Änderungen des Wärmeübergangskoeffizienten angewiesen sind, um eine schnelle Wärmeübertragungsregelung zu erreichen. Verbrennungsinterventionen, wie das Ersetzen von 40 % des ursprünglichen Kohlenstoffs durch feine Kohlenstaubpartikel von etwa hundert Mikrometern, können die Änderung der Brennraumtemperatur effektiv beschleunigen; die durchschnittliche Reaktionsrate der Wärmeflussdichte im Hochlastbereich bei Lastanstieg erhöht sich um etwa 43 %, im Niedriglastbereich steigt sie um fast 16 %. Darüber hinaus kann eine Umlaufintervention, bei der bei Lastanstieg eine zusätzliche Menge feiner Bettmaterialien zugegeben wird, die suspendierte Partikelkonzentration innerhalb kurzer Zeit schnell erhöhen und so die Reaktionsgeschwindigkeit der Wärmeübertragungsrate auf der beheizten Oberfläche effektiv verbessern; wenn zusätzlich heißes Bettmaterial (z.B. durch zyklische Asche-Wärmespeicher- und Rückführungsmethode) zugeführt wird, kann die durchschnittliche Reaktionsrate der Wärmeflussdichte im Hochlastbereich bei Lastanstieg um etwa 31 % steigen, im Niedriglastbereich um etwa 13 %. Die Studienergebnisse haben den inneren Reaktionsmechanismus des CFB-Kessels bei Laständerungen aufgezeigt und die Machbarkeit von Umlauf- und Verbrennungsinterventionen zur Verbesserung der Laständerungsgeschwindigkeit der Anlage bestätigt. Damit bieten sie eine Referenz zur weiteren Erschließung des Flexibilitätspotenzials von überkritischen CFB-Kesseln und zur Verbesserung ihrer Laständerungsfähigkeit.

Zirkulierender Wirbelschichtkessel; Innere Prozesse; Reaktionseigenschaften; Verbrennungsintervention; Umlaufintervention; Numerische Simulation