Dimensionierung des Schornsteins zur Abfuhr der Verbrennungsgase im Rahmen der Modernisierung der Aluminium-Schmelzöfen, um die Emissionen zu kontrollieren und die Umweltnormen einzuhalten.
Das Wesentliche. Im Rahmen der Erweiterung von Aluminium Dunkerque — Installation eines neuen Ofens Nr. 8 mit 65 Tonnen Kapazität — hat EOLIOS den Schornstein zur Abfuhr der Verbrennungsgase mittels CFD-Simulation dimensioniert. Die Studie verbindet den regulatorischen Rahmen (Erlass vom 2. Februar 1998, NF EN 13084-1), ein Audit vor Ort (Thermografie, Rauchversuche) und Simulationen der Schmelz- und Haltemodi der Öfen 7 und 8, um einen ausreichenden Auftrieb zu gewährleisten, die Druckverluste zu beherrschen und die Umwelt-Emissionsnormen einzuhalten.
Die Dimensionierung der Industrieschornsteine in den Sektoren, die Rohstoffe verarbeiten, wie Aluminium, ist wesentlich, um die Leistung der Anlagen zu optimieren. Sie berücksichtigt technische, regulatorische und umweltbezogene Kriterien, um den Anforderungen an Energieeffizienz und Emissionsminderung zu entsprechen.
Am Beispiel eines von EOLIOS realisierten Auftrags untersucht dieser Artikel die notwendigen Konzeptionsspezifika für die Schornsteine von Aluminiumöfen und unterstreicht die Bedeutung fortschrittlicher Lösungen zur Kontrolle der Rauchgas- und Gasemissionen unter Einhaltung der Umweltstandards.
Die Abfuhr der Verbrennungsrauchgase ist entscheidend für die Umwelt, die Sicherheit und den Komfort der Bediener. Die Dimensionierung des Schornsteins unterliegt Vorschriften. Der Schornstein wirkt als Rauchabsauger, indem er einen Unterdruck erzeugt, um die Rauchgase aus der Verbrennungskammer abzuziehen. Er führt die Rauchgase ab, indem er sie anhebt, um ihre Dispersion zu begünstigen und ihre Umweltauswirkung zu verringern.
Es besteht keine gesetzliche Pflicht, aber eine Norm empfiehlt eine Überprüfung alle zwei Jahre. Die Schornsteine sind hohen Temperaturen und Säureangriffen ausgesetzt, was eine regelmäßige Überwachung erfordert.
Die wichtigsten Vorschriften sind das Umweltgesetzbuch und der Erlass vom 2. Februar 1998. Normen wie NF EN 13084-1, EN 1990, EN ISO 14122-1 und technische Verbrennungsdatenblätter liefern Richtlinien für die Dimensionierung, die Sicherheit, die Konformität und das Management der Umweltauswirkungen im Zusammenhang mit der Abfuhr der Verbrennungsrauchgase.
Sicherheit, Umwelt & Konformität. Verbrennungsrauchgase sind heiß, korrosiv und können schädliche Verbindungen enthalten (Aluminiumpartikel, toxische Gase). Eine Unterdimensionierung beeinträchtigt den Absaugunterdruck, die Dispersion der Emissionen und die Konformität mit dem Erlass vom 2. Februar 1998.
Im Rahmen des Projekts zur Erhöhung der Barrenproduktionskapazität ist die Installation eines neuen Ofens (Nr. 8) neben dem bestehenden Ofen (Nr. 7) vorgesehen. Dieser Ofen wird eine Kapazität von 65 Tonnen haben und für das Schmelzen fester Metalle sowie für das Halten des Metalls im flüssigen Zustand im Hinblick auf das Gießen in der Barrenproduktionslinie verwendet. Die beiden Öfen arbeiten im Tandem, um die Kontinuität der Produktion zu gewährleisten. Diese Erweiterung erfordert eine zusätzliche Abfuhr der Verbrennungsgase zum bestehenden Schornstein.
Der Standort von Aluminium Dunkerque, 1991 errichtet, umfasste ursprünglich 6 Aluminiumöfen, 3 Plattengießeinheiten und 1 Barrenproduktionslinie. 2004 wurde ein siebter Ofen installiert und 2015 eine zweite Barrenproduktionslinie hinzugefügt. 2022 wurde die erste Barrenproduktionslinie zurückgebaut. Die Gießhalle beherbergt die in Längsrichtung ausgerichteten Öfen, mit Belüftern für die Luftabfuhr und Lamellen für die Frischluftzufuhr.
Die Dimensionierung eines Industrieschornsteins für Aluminium-Schmelzöfen hängt von mehreren Faktoren ab, insbesondere:
Die Höhe des Schornsteins wird je nach den Schadstoffemissionsniveaus und dem Vorhandensein von Hindernissen bestimmt, die die Gasdispersion behindern könnten. Sie darf nicht unter 10 Metern liegen. Dieses Maß wird gemäß den Artikeln 53 bis 56 des Erlasses vom 2. Februar 1998 festgelegt oder auf der Grundlage der Ergebnisse einer standortangepassten Studie der Gasdispersionsbedingungen berechnet.
Die CFD wird verwendet, um das Verhalten der Fluide (Luft, Wasser, Gas…) im Inneren eines Ofens zu simulieren und zu analysieren, um die Phänomene der Wärmeübertragung, der Strömungsgeschwindigkeit und der Mischung zu verstehen. Die Thermografie ermöglicht es, die Temperaturschwankungen mithilfe von Infrarotkameras sichtbar zu machen, die die Temperaturunterschiede in Wärmebilder umwandeln. Diese Bilder liefern wertvolle Informationen über die heißen und kalten Zonen sowie die Temperaturabweichungen im Industrieofen.
Dank des gemeinsamen Einsatzes von Thermografie und CFD können die Ingenieure Korrekturmaßnahmen ergreifen, um die Energieeffizienz des Ofens zu verbessern, die Produktionsprozesse zu optimieren, die Betriebskosten zu senken und die Gesamtleistung zu maximieren. Die Thermografie liefert nicht-invasive Echtzeitdaten über die Temperaturen im Inneren des Ofens, was die Erkennung potenzieller Probleme erleichtert (übermäßige Hotspots, Zonen unzureichender Kühlung).
Das thermische Audit zielt darauf ab, die Stellen zu erfassen, an denen sich die Wärme konzentriert, und eine Kartografie der heißen und kalten Zonen zu erstellen. Es ist wichtig zu beachten, dass die angegebenen Temperaturen eher eine allgemeine Schätzung als eine präzise Messung liefern sollen.
Die Rauchversuche zielen darauf ab, die Belüftung rund um Ofen 7 sichtbar zu machen. Diese Versuche liefern, ebenso wie die Wärmebilder, ergänzende Daten für die Validierung der Simulationen. Angesichts des Vorhandenseins von Öffnungen wie der Luftzufuhr und der seitlichen Öffnungen des Ofens ist es wesentlich, das den Ofen umgebende Volumen und die dort herrschenden aeraulischen Bedingungen zu berücksichtigen.
Der Betrieb des Ofens gliedert sich in mehrere unterschiedliche Phasen: das Schmelzen, das Halten, den Temperaturanstieg, das Öffnen der Türen und weitere Vorgänge. Der Gasvolumenstrom variiert im Verlauf dieser Phasen und wird durch die Anzahl der in Betrieb befindlichen Öfen beeinflusst. Das Hinzufügen von Ofen 8 im Wechsel ist vorgesehen, um die vorschriftsgemäß notwendigen Gasvolumenströme zu erreichen.
Eine der wesentlichen Methoden unseres Ansatzes ist die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics). Diese Spitzentechnik ermöglicht es, das Verhalten der Fluide zu analysieren und zu modellieren (Gase, Flüssigkeiten, Suspensionen) mithilfe komplexer, rechnergestützt gelöster mathematischer Gleichungen. So liefern wir präzise und detaillierte Vorhersagen über die aerothermischen Phänomene, die Fluidströmungen, die Wärmeübertragungen und die Druckverluste.
Im Fall der Schornsteindimensionierung für einen Industrieofen ist die CFD besonders nützlich, um den Verbrennungsprozess zu verstehen und zu optimieren. Durch die Untersuchung der Fluideigenschaften (Temperatur, Geschwindigkeit, Druck) und ihrer Wechselwirkung mit den verschiedenen Komponenten des Schornsteins bewerten wir die Druckverluste, d. h. die bei der Strömung durch das System verlorenen Drücke.
Der Druckverlust ist der Druckabfall, den ein durch einen Kanal strömendes Fluid durch Reibung und Singularitäten (Krümmer, Querschnittsänderungen) erfährt. An einem Schornstein verringern zu hohe Druckverluste den Auftrieb und beeinträchtigen die Abfuhr der Rauchgase.
Darüber hinaus ermöglicht die CFD, den Druckanstieg durch natürlichen thermischen Auftrieb im Schornstein zu analysieren — wesentlich, um eine wirksame Abfuhr der Rauchgase unter Nutzung des Temperaturunterschieds zwischen innen und außen zu gewährleisten. So können wir die Konzeption optimieren für einen maximalen Auftrieb bei minimalen Druckverlusten. Schließlich untersuchen wir die Erosion durch die Stäube in den Rauchgasen: Die CFD sagt die erosionsanfälligen Zonen voraus, identifiziert die Verschleißmechanismen und schlägt angepasste Schutzlösungen vor (widerstandsfähige Beschichtungen, Geometrieänderungen).
Der thermische Auftrieb ist die aufsteigende Bewegung der heißen Gase im Schornstein, hervorgerufen durch ihren Dichteunterschied zur kälteren Außenluft. Je größer der Temperaturunterschied und die Höhe, desto stärker der Auftrieb : er ist der natürliche Motor der Rauchgasabfuhr.
Die Dachstruktur muss lokal verstärkt werden, um den Durchgang des Schornsteins zu ermöglichen. Eine besondere Verstärkung ist in Form eines Diagonalträgers vorgesehen, um diesen Durchgang zu erleichtern. Angesichts der Platzbeschränkungen auf dem Dach gibt es fünf mögliche Optionen für die Lage dieses Durchgangs. Die Positionen 1 und 5 werden aufgrund ihrer Zugänglichkeit und Eignung bevorzugt.
Wir haben die Krümmer und Verbindungen optimiert, um die Strömungseffizienz zu verbessern. Unser Ansatz besteht darin, jeden Krümmer auf maximal 3 Elemente zu begrenzen, um die Umsetzungskosten zu kontrollieren.
Wir haben Simulationen für die beiden anspruchsvollsten Szenarien durchgeführt: den Schmelzmodus der Öfen 7 und 8 sowie den Haltemodus der Öfen 7 und 8. Das Hauptziel war es, die Ausstoßgeschwindigkeiten und die Luftvolumenströme an den Lufteintritten oberhalb des Messpunkts zu bewerten.
![Geschwindigkeitsebene an Achse und Austrittsquerschnitt — [7M8M]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture9.png.webp)
![Geschwindigkeitsebene an Achse und Austrittsquerschnitt — [7F8F]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture10.png.webp)
Die Abmessungen der Lufteintritte ähnelten denen der Schornsteine der Öfen 1 bis 6. Für den ersten Schornstein zeigten die Simulationen, dass die Lufteintritte einen begrenzten Einfluss auf die Strömung hatten, mit eintretenden Volumenströmen weit unter dem festgelegten Ziel; dennoch blieben die Geschwindigkeiten am Ausgang konform mit den Zielen. Für den zweiten Schornstein hatten die durch die abrupten Krümmer verursachten Druckverluste im Kanal von Ofen 8 einen negativen Einfluss auf den Auftrieb, verringerten die Außenluftzufuhr und kehrten im Fall des Schmelzens der Öfen 7-8 die Strömungsrichtung um. Allerdings blieb der Unterschied der Temperaturverteilung zwischen den beiden Schornsteinen minimal.
Know-how: die Dimensionierung der IndustrieschornsteineSchornsteindimensionierung, thermischer Auftrieb und CFD-Simulation industrieller Emissionen.
Ein richtig dimensionierter Schornstein erzeugt den nötigen Unterdruck, um die Rauchgase aus der Verbrennungskammer abzuziehen, und führt sie hoch genug ab, um die Dispersion zu begünstigen und die Umweltauswirkung zu begrenzen. Die Dimensionierung gewährleistet einen ausreichenden Auftrieb, beherrscht die Druckverluste und sichert die Konformität mit den Vorschriften.
Sie hängt von den Schadstoffemissionsniveaus und den Hindernissen ab, die die Gasdispersion behindern können. Sie darf nicht unter 10 Metern liegen und wird gemäß den Artikeln 53 bis 56 des Erlasses vom 2. Februar 1998 oder aus einer standortspezifischen Dispersionsstudie berechnet.
Der thermische Auftrieb ist die aufsteigende Bewegung der heißen Gase, hervorgerufen durch ihren Dichteunterschied zur kälteren Außenluft. Er ist der natürliche Motor der Rauchgasabfuhr : Die CFD ermöglicht es, die Konzeption zu optimieren, um diesen Auftrieb zu maximieren und die Druckverluste zu minimieren. Mehr dazu in unserem Dossier über den thermischen Auftrieb.
Thermografie und Rauchversuche liefern reale Messungen (heiße Zonen, Belüftung rund um den Ofen), die zur Kalibrierung und Validierung der Simulationen dienen. Mit der CFD kombiniert, ermöglichen sie die Analyse von Szenarien, die vor Ort nicht reproduzierbar sind, und machen die Dimensionierung zuverlässiger.
Die wichtigsten Referenzen sind das Umweltgesetzbuch und der Erlass vom 2. Februar 1998, ergänzt durch Normen wie NF EN 13084-1, EN 1990 und EN ISO 14122-1. Sie regeln die Dimensionierung, die Sicherheit, die Konformität und das Management der Umweltauswirkungen.
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CFD-Dimensionierung des Schornsteins zur Abfuhr der Verbrennungsgase für die Modernisierung der Aluminium-Schmelzöfen (Aluminium Dunkerque): regulatorischer Rahmen (Erlass vom 2. Februar 1998, NF EN 13084-1), Schlüsselfaktoren (Gasvolumenstrom, Temperatur, Zusammensetzung der Rauchgase), Audit vor Ort (Thermografie, Rauchversuche), 3D-Modell und Optimierung der Kanäle, Simulationen der Schmelz-/Haltemodi der Öfen 7 und 8 und Analyse des thermischen Auftriebs.
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