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Condensation of Water Vapor and Acid Mixtures from Exhaust Gases
Pla Perujo, Maria
Gas-Brennwertgeräte haben sich in den letzen 10 Jahren bewährt und werden in zunehmendem Maße für Neubauten und in der Modernisierung von bestehenden Anlagen eingesetzt. Da Gas-Brennwertgeräte in der Lage sind die im Abgas enthaltene latente Wärme in zusätzliche Heizwärme umzusetzen, arbeiten sie besonders energiesparend und erreichen einen hohen Wirkungsgrad. Erdgas wird mit sehr geringen Schadstoffemissionen verbrannt. Das Abgas enthält jedoch neben Kohlendioxid und Wasserdampf noch Verbrennungsprodukte wie Stickstoff- und Schwefeloxide. Stickoxide sind typische Produkte der Verbrennung. Schwefeldioxid entsteht durch die Oxidation des dem Brenngas beigemischten Odorierungsmittels. Bei der Kondensation dieser Produkte entsteht eine säurehaltige Lösung, welche Salpeter- und Schwefelsäure enthält. Durch Rückverdampfung und wiederholte Kondensation wird das Rauchgaskondensat in zunehmendem Maße korrosiv. Daher korrodieren Wärmeübertrager im Brennwertgerät. Kondensation tritt auf, wenn die Oberflächentemperatur niedriger ist als der Taupunkt der Mischung. Um den Taupunkt der Mischung zu bestimmen, waren Gas-Flüssigkeits-Gleichgewichtsmodelle wie das Van Laar Modell und das Uniquaq Modell nötig. Für das binäre System HNO3/H2O liegt der Taupunkt bei 56 °C für einen Druck von 0,17 bar. Für das binäre System H2SO4/H2O liegt der Taupunkt für einen Druck von 0,17 bar bei 115 °C. In der vorliegenden Arbeit wird die Kondensation von Salpeter- und Schwefelsäure sowie von Wasserdampf in Anwesenheit von Luft auf einer senkrechten wassergekühlten Platte untersucht. Ein Simulationsmodell wurde entwickelt und durch Messungen an einem Teststand validiert. Das Simulationsmodell kann auf beliebige Geometrien angewendet werden, um Parameterstudien und Optimierungen an der Geometrie zur Reduzierung von Korrosion durchführen zu können. Es wurde eine numerische Simulation mit dem kommerziellen CFD Programm FLUENT, sowie eine Simulation basierend auf empirischen Gleichungen mit einem Differentialgleichungslöser, EES, in 2D für eine senkrechte wassergekühlte Platte durchgeführt. Die numerischen Simulationen wurden mit realen 3D-Geometrien, Lamellen- und Rippenwärmeübertrager durchgeführt. Der Vergleich der numerischen Simulation mit der auf empirischen Gleichungen basierenden Simulation zeigt, dass die Genauigkeit für fast alle Brennerleistungen und durchschnittlichen Oberflächentemperaturen sehr gut ist. Für eine Brennerleistung von 8 kW liegt die Abweichung bei bis zu 8 %, bei höheren Brennerleistungen liegt sie bei 1-2 %. Die Abweichung hängt davon ab, wie der Diffusionskoeffizient berechnet wird. In der numerischen Simulation wird die Diffusion über die Maxwell-Stefan Gleichung für Mehrkomponentenmischungen berücksichtigt. Durch diese Gleichung werden auch die nicht-idealen Anteile der Mischung betrachtet. Die Unterschiede zwischen Simulation und Messung liegen zwischen 7 und 25 %, abhängig von der Brennerleistung und der durchschnittlichen Oberflächen-temperatur der Platte. Die größten Abweichungen treten bei der geringsten mittleren Oberflächentemperatur von 20 °C auf. Es tritt Tropfenkondensation auf. Die Tropfen wachsen dabei sehr schnell und liegen in einem Größenbereich von 1 bis 3 mm. Zwischen den Tropfen treten Wirbel in der Gasströmung auf, die die analytische Lösung des Vorgangs erschweren. Es gibt keine Gleichung die diese Verhältnisse beschreibt. Die Anwendung der numerischen Simulation auf reale 3D Geometrien zeigt gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen.
Boilers, in which condensation takes place, are a very competitive technology in Europe due to energy prices, strict government regulations and a public interest in energy efficiency. They operate at high efficiency by capturing some of the latent heat of condensation, and a large amount of the sensible heat of combustion. When natural gas is combusted, only a very small amount of pollutants are formed. The products of combustion still contain oxides of nitrogen and sulfur as well as carbon dioxide and water vapor. Nitrogen oxides are typical by-products of combustion air, and sulfur is present at very low concentrations as odourant compound added to natural gas. Condensation of these products yields an acidic solution which contains concentrations of nitric and sulfuric acids. Therefore, flue gas condensate becomes increasingly corrosive at surfaces of the condensing heat exchanger after it is concentrated by repeated condensation and evaporation. When the surface temperature is below the dew point of the multicomponent mixture, condensation occurs. Therefore, Vapor-Liquid Equilibrium models such as the Van Laar and Uniquaq models were required in order to determine the dew point of the mixture for a pressure of 0.17 bar. For the binary system HNO3/H2O,the dew point is 56 °C. For the binary system H2SO4/H2O it is 115 °C. In this work, the condensation of nitric acid, sulphuric acid and water vapor in the presence of air on a vertical water-cooled plate has been investigated. A simulation model has been developed and experimentally validated using measurements from a test rig. This simulation model can be applied to a given heat exchanger design in order to perform parametric studies and geometric optimization with the goal of minimizing corrosion. A numerical simulation using the comercial CFD code FLUENT, and a simulation based on empirical correlations using the Engineering Equation Solver EES have been carried out for a 2D vertical water-cooled plate. The numerical model was applied to real 3D geometries including an annular fin heat exchanger and a pin fin heat exchanger. By comparing the numerical simulation with the simulation based on the empirical correlations, the accuracy is very good for almost all range of combustion powers as well as average temperature surfaces. For a combustion power of 8 kW, the deviation between both simulations is about 8 %, whereas for higher combustion powers the deviation decreases until 1-2 %. These discrepancies are due to the way in which the diffusion coefficient has been obtained. In the numerical simulation the diffusion process is taken into consideration by using the Maxwell-Stefan equation for multicomponent mixtures. By this equation, the non-idealities of the mixture are considered whereas in the simulation based on the empirical correlations the mixture is considered as ideal. The discrepancies between experiments and simulation are in a range 7-25 % depending on the combustion power and the average surface temperature of the plate. The highest deviations correspond to the smallest average surface temperature of 20 °C. Dropwise condensation takes place, and the drops grow very quickly and they range from 1 to 3 mm. Vortices take place between the drops making the gas stream more complex as it is usually and there is no equation taking this behaviour into consideration. The results obtained from the numerical simulation applied to real 3D geometries closely resemble experimental observations.
