Inhaltsverzeichnis - VGB · 2017. 6. 30. · Zur Untersuchung des Einflusses kontrollierter...
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Inhaltsverzeichnis
1 Forschungsthema ..................................................................3
2 Zusammenfassung der erzielten Ergebnisse ........................4
3 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche
Problemstellung ..........................................................................6
4 Forschungsziel ......................................................................7
4.1 Angestrebte Forschungsergebnisse ........................................................................ 7
4.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse .................................. 8
5 Lösungsweg und Ergebnisse ................................................9
5.1 Aufbau und Inbetriebnahme des Versuchstandes ................................................... 9
5.2 Fluiddynamische Charakterisierung .......................................................................10
5.3 Wärmeübertragung in inerter Schüttung .................................................................13
5.4 Modellierung und Überprüfung der dreidimensionalen Wärmeübertragung in
Partikelschüttungen. .........................................................................................................14
5.5 Gasphasenreaktion in inerter Schüttung .................................................................18
5.6 Charakterisierung der Brennstoffpartikel ................................................................20
5.7 Untersuchungen reagierender, geschürter Schüttungen ........................................23
5.8 Simulation geschürter Verbrennung .......................................................................45
5.9 Simulation einer Rostfeuerung ...............................................................................57
6 Verwendung der Zuwendung ..............................................64
6.1 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ....................................65
7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der
erzielten Ergebnisse für KMU ...................................................65
8 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft........................66
9 Umsetzung des Transferkonzeptes .....................................67
10 Literaturverzeichnis .............................................................68
Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
1 Forschungsthema
Verbrennung von mechanisch geschürten, stückigen Brennstoffen
Das IGF-Vorhaben 17949 N der Forschungsvereinigung VGB wurde über die AiF im Rahmen
des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.
Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
2 Zusammenfassung der erzielten Ergebnisse
Ziel dieses Vorhabens war die detaillierte Untersuchung der physikalischen und
thermochemischen Wechselwirkungen bei der Verbrennung bewegter Schüttgüter mit von der
Kugelform abweichenden Partikelgeometrien. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine
Verbesserung der derzeit verfügbaren Methoden zur Berechnung der Vorgänge in technischen
Feuerungsanlagen wie z. B Rostfeuerungen. Zu diesem Zweck wurde ein Versuchsstand
entwickelt, in dem Schüttungen definierter Holzpartikel unter definierten Prozess- und
Schürbedingungen verbrannt werden können. Dieser ermöglicht u.a. eine Untersuchung der
Effekte konkurrierender Wärmeübertragungsmechanismen, der Strahlung auf hohem
Temperaturniveau von oben aus dem Brennraum und der Kühlung durch kalte Primärluft von
unten gemäß Abbildung 1. Gemessen wurden jeweils die Temperaturen im Brennraum und an
der Bettoberfläche, die Zusammensetzung des Abgases und die Massenabnahmerate der
Schüttung. Variiert wurden die Aufteilung der Luftströme (Primär/Sekundärluft) bei gleichem
Globalluftmassenstrom, die Partikelgeometrie und die Schürintensitäten. In ersten Versuchen
wurde jeweils der Vergleich zwischen geschürter und ungeschürter Verbrennung bei ansonsten
gleichen Bedingungen durchgeführt. Anhand dieser Versuche lassen sich die prinzipiellen Effekte
und Wechselwirkungen geschürter Verbrennung beobachten und mit entsprechenden
numerischen Simulationen im Detail vergleichen.
Abbildung 1: Schema der Wärmeübertragungsmechanismen
Schürung verzögert die Aufheizung und Zündung der freigesetzten Pyrolysegase im
Brennraum oberhalb der Schüttung, da der konvektive Wärmeabtransport über kalte
Primärluft durch Umwälzung der Partikel erhöht wird.
Die Massenabnahmerate während der Verbrennung wird durch Schürung erhöht, da der
Wärmetransport durch Strahlung in das Partikelbett infolge des Transportes von kalten
Partikeln aus der Schüttung an die Bettoberfläche und zurück erhöht wird.
Diese Mechanismen sind sehr sensitiv hinsichtlich der Schürintensität und der Partikelform.
Ein erwartetes, an den Experimenten sehr deutlich gewordenes Ergebnis ist die Notwendigkeit
einer dreidimensionalen Beschreibung des Wärmetransportes an und in den Brennstoffobjekten,
um die gegeneinander arbeitenden Effekte durch kalte Primärluft von unten und hohe
Strahlungswärmeflüsse aus dem Brennraum von oben, in einem dynamischen System
Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
berücksichtigen zu können. Aus diesem Grund wurde das im verwendeten DEM-Code
implementierte Wärmeübertragungsmodell mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Die
Ergebnisse ermöglichen eine separate Analyse der Wärmetransportvorgänge Wärmeleitung,
erzwungene Konvektion und Wärmestrahlung im dreidimensionalen Raum und ergänzen somit
die Versuche um ansonsten nicht messbare Größen.
Die Simulationen zeigen eine qualitative Abbildung der grundsätzlichen Effekte im
Zusammenhang mit bewegten Schüttungen in Verbrennungssystemen. Damit werden auch die
prinzipiellen Anwendungsbereiche und das Potential des Simulationskonzeptes deutlich.
Gleichzeitig wird auch der zusätzliche Forschungsbedarf zur Weiterentwicklung der
Modellansätze hinsichtlich der korrekten Abbildung von Details der Wärme- und
Stoffübertragungsvorgänge deutlich. Die erarbeiteten Erkenntnisse gestatten letztlich eine
quantitative Abbildung der Prozesse und eine gute Vorhersagbarkeit des Betriebsverhaltens
technischer Anlagen unter variierenden Parametern bereits während der Auslegung.
Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
3 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche
Problemstellung
Rostfeuerungen stellen eine attraktive Methode zur thermischen Verwertung von Müll und Biomassen dar. Sie bieten den Vorteil, dass grobstückige, vorher unbearbeitete Brennstofffraktionen hoher stofflicher Inhomogenität ohne zusätzliche Zerkleinerung umgesetzt werden können. Dies kommt einer immer stärkeren Nutzung regenerativer Brennstoffe zugute, die dann besonders attraktiv ist, wenn eine dezentrale thermische Verwertung bei kurzen Rohstofftransportwegen und geringem Brennstoff-Aufbereitungsaufwand möglich ist. Auslegung und Betrieb von Rostfeuerungsanlagen können technisch und wirtschaftlich gezielt erfolgen, wenn detaillierte Kenntnisse und ein genaues Verständnis der Bewegungs-, Wärmeübertragungs- und Reaktionsvorgänge in der Schüttung vorliegen. Nur dann können z. B. Baugrößen durch Verminderung von Sicherheitszuschlägen für die Brennstoffaufenthaltszeit reduziert, der Luftüberschuss vermindert oder Betriebsprobleme im Vorfeld rechtzeitig erkannt werden. Bei der Konversion grobstückigen Brennstoffes auf Rostfeuerungssystemen kommt der Brennbettschürung eine besondere Bedeutung zu. Sie erfolgt in der Praxis durch bewegte ungekühlte oder gekühlte Roststäbe oder Walzen. Die Schürung bestimmt letztendlich den Transport auf dem Rost, die Mischung des Brennstoffbetts, die Durchströmung des Betts und damit ganz wesentlich den Reaktionsfortschritt u. a. durch den Transport reagierender Brennstoffpartikel in Bereiche noch kalter, nicht reagierender Partikel oder Zonen größeren Sauerstoffangebots. Experimente in Rostfeuerungssystemen sind stets sehr aufwändig, insbesondere dann, wenn schüttungsinterne Daten gewonnen werden sollen. Die numerische Beschreibung des Reaktionsfortschritts in reagierenden, bewegten Schüttungen wird deshalb immer wichtiger. Eine deutliche Erweiterung gegenüber den heute vorwiegend verwendeten Kontinuumsmodellen für Brennstoffschüttungen, in denen die Schürung naturgemäß nur empirisch oder semi-empirisch abgebildet werden kann, erlauben partikelbasierte Berechnungsverfahren. Ein solches Verfahren ist die Diskrete Elemente Methode (DEM), die die Bewegung und die Reaktion jedes Einzelpartikels und seiner Wechselwirkungen mit Nachbarpartikeln und Wänden beschreibt. Ein solches Modell wurde am LEAT in den letzten Jahren entwickelt und mit einem Strömungssimulationscode (CFD) gekoppelt, so dass auch die Durchströmung des Brennstoffbettes mit Verbrennungsluft simuliert werden kann. Hiermit können komplexe Partikelformen abgebildet werden, was besonders wichtig ist, da bei größeren Partikeln die Geometrie einen großen Einfluss auf die mechanische Bewegung sowie die Transportvorgänge (Energie und Spezies) innerhalb des Partikels hat. Zudem ändert sich, in Verbindung mit einem umgebenden fluiden Medium, mit der Partikelform und mit der Lage der Impulsaustausch sowie der Wärme- und Stoffübergang zwischen Partikel und Fluid. Als Kernpunkte der Bearbeitung wurden folgende Aufgaben definiert:
Es wurde ein Versuchsaufbau (abstrahierter Modellrost) entwickelt, der die Untersuchung des Einflusses der mechanischen Schürung von Brennstoffschüttungen auf den Abbrand unter kontrollierten Bedingungen ermöglicht. Dabei wurden in einem System nacheinander sowohl die unabhängigen Einzelprozesse (Durchströmung, Wärmeübertragung, etc.) als auch der, bei der Verbrennung in vollständiger Wechselwirkung stehende Gesamtprozess untersucht.
Die experimentell nicht zugänglichen mechanischen und thermochemischen Detail-vorgänge in der Schüttung wurden parallel zu den Experimenten mit Hilfe eines DEM-
Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
CFD Codes abgebildet, so dass auch ein Detailverständnis der schüttungsinternen Prozesse entsteht.
Zur Demonstration der Nutzung solcher Ergebnisse wurde beispielhaft ein industrielles Rostsystem für Biomasse simuliert und soweit möglich mit Ergebnissen aus der Literatur verglichen.
4 Forschungsziel
In diesem Projekt sollten die Auswirkungen von mechanischer Schürung und lokaler Kühlung auf die thermische Umwandlung großer, deutlich von der Kugelform abweichender Brennstoffpartikel in einer bewegten Schüttung experimentell untersucht und entsprechende numerische Modelle überprüft werden. Ziel war es, den Einfluss von Betriebsparametern (Schürrate, Wärmeabfuhr durch Kühlung, Durchströmung) und von bisher nicht hinreichend untersuchten physikalischen Brennstoffeigenschaften (Partikelgeometrie, Porositätsverteilung in der Schüttung) auf die thermische Umsetzung grobstückiger Biomassen in Rostfeuerungen systemübergreifend vorherzusagen. Derzeit fehlende experimentelle Erkenntnisse wurden gezielt gewonnen, um sukzessive alle wesentlichen Teilprozesse in reagierenden, bewegten Brennstoffschüttungen abzudecken. Es sollte dazu keine grundlagenorientierte Modell(weiter)entwicklung erfolgen, vielmehr sollten die Gültigkeit und die Anwendbarkeit der verschiedenen, in den verfügbaren Codes bereits implementierten Ansätze geprüft und ggf. die Ursachen für Abweichungen und Defizite ermittelt werden.
4.1 Angestrebte Forschungsergebnisse
Der Fokus der angestrebten wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Ergebnisse lag auf der Verifikation einer Methode zur Beschreibung des Verbrennungsvorgangs in geschürten reagierenden Brennstoffschüttungen und hatte die Bereitstellung des Wissens und der Kriterien für eine geeignete Modellauswahl bei der Simulation solcher Systeme zum Ziel. Die durchzuführenden Experimente schließen vorhandene Wissenslücken und liefern ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen innerhalb von reagierenden Brennstoffschüttungen (sowohl auf der Festkörper- wie auch der Gasphasenseite) und den Einfluss der Betriebsbedingungen (Schürung, Kühlung) auf die beteiligten Prozesse. Es sollte eine fundierte, quantitative Überprüfung der mit dem vorliegenden CFD/DEM-Code zu beschreibenden Wechselwirkungseffekte in Schüttungen aus grobstückigen, thermisch trägen und nicht kugelförmigen Partikeln erfolgen. Dazu wurden unter vergleichbaren Bedingungen, in ein und demselben Versuchsaufbau die
Durchströmung,
Aufheizung,
Strahlungswärmeübertragung,
Mischung in der Gasphase,
Verbrennung in der Gasphase
Partikelzusammensetzung während des Verbrennungsprozesses zunächst möglichst isoliert vermessen und mit korrespondierenden DEM/CFD-Simulationen verglichen. Zum Vergleich zwischen den Experimenten und den Berechnungen wurden, neben offensichtlichen Messdaten, vor allem die sich jeweils einstellenden, zeitlich veränderlichen thermischen und thermochemischen Ungleichgewichte herangezogen. Anhand des zusätzlichen Vergleichs zwischen ruhender und mechanisch geschürter Schüttung konnte die korrekte Beschreibung der Veränderung dieser Ungleichgewichte durch die Schürung überprüft werden.
Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Durch das angeführte Vorgehen lassen sich schrittweise die Unsicherheiten hinsichtlich der Gültigkeit der eingesetzten Teilmodelle ausschließen. Randeffekte sind in der vorgesehenen (im Vergleich zur Größe der Brennstoffobjekte kleinen) Versuchseinrichtung nicht zu vermeiden. Daher werden diese erwarteten Randeffekte bewusst genutzt, um einen verbesserten Einblick in die verschiedenen Wechselwirkungen zu erlangen, was erst aufgrund der verwendeten Simulationsmethodik möglich ist. Die naheliegende Bestimmung der Auswirkung der Schürung auf die Feinstaub- und Partikelfreisetzung aus dem Brennbett wurde bewusst zurückgestellt, um den Umfang der Untersuchungen zu begrenzen. Die Variation der Partikelgeometrie gestattete (neben den aus Einzelpartikelmodellen bereits bekannten Wirkungen auf die Aufheizung) auch eine Überprüfung der vornehmlich durch die räumlich und zeitlich veränderliche Verteilung des Lückenvolumens in der Schüttung verursachten Effekte. Abschließend sollte die Demonstration der Anwendung des verifizierten CFD/DEM-Codes auf eine Biomasse-Rostfeuerung (Holzhackschnitzel, Tamara, KIT) erfolgen. Hierbei sollte auf aktuelle, in der Literatur verfügbare experimentelle Daten zurückgegriffen werden.
4.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse
Der innovative Beitrag des Forschungsvorhabens besteht zunächst in der Verwendung eines erst
kürzlich entwickelten, in dieser Form derzeit einzigartigen CFD/DEM-Berechnungswerkzeugs für
bewegte, reagierende Schüttungen aus grobstückigen, von der Kugelform abweichenden
Brennstoffobjekten. Durch eine enge Verzahnung damit durchgeführter numerischer
Simulationen mit gezielten experimentellen Untersuchungen wird eine neue Qualität von
Detailverständnis bei diesen Vorgängen erreicht. Die Experimente werden dazu in einem
einzigen Versuchsaufbau durchgeführt, in dem alle wesentlichen Aspekte reagierender
Schüttungen sowohl isoliert voneinander als auch in direkter Wechselwirkung miteinander,
vermessen werden können. Nach dem Vergleich des zeitlichen Verlaufs der makroskopischen
Größen wie Masse der Partikelschüttung und Temperaturen im Brennraum zwischen den
Experimenten und Simulationen wird eine neue Detailtiefe der Schüttungsinternen
thermochemischen und physikalischen Effekte auf Einzelpartikelniveau erreicht. Damit wird eine
neue Dimension für Anknüpfungspunkte zur gezielten Optimierung geschürter
Verbrennungssysteme erschlossen.
Die Gültigkeit der eingesetzten Beschreibung mechanischer Vorgänge und der grundlegenden
Wärme- und Stoffübergangsprozesse wurde in vorausgegangenen Projekten nachgewiesen.
Damit können jetzt im nächsten Schritt die Auswirkung mechanischer Schürung, lokaler Kühlung
sowie der Partikelgeometrie auf die Gesamtumsatzdauer, die resultierenden Gas- und
Brennstofftemperaturen, Wärmeströme sowie den Schadstoffausstoß (insbesondere
Kohlenmonoxid) zunächst in einem gut kontrollierten Modellsystem berechnet werden. Ziel war
es auch, die prädiktiven Möglichkeiten der verwendeten DEM/CFD-Methodik nachzuweisen und
somit die Anwendung für industrielle Feuerungseinrichtungen vorzubereiten.
Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
5 Lösungsweg und Ergebnisse
5.1 Aufbau und Inbetriebnahme des Versuchstandes
Zur Untersuchung des Einflusses kontrollierter Schürung auf den Verbrennungsprozess wurde
ein entsprechender Versuchsstand konzipiert. Dieser ermöglicht die Messung der
Massenabnahme der Schüttung, die Variation der Luftstufung, Temperaturmessungen im
Brennraum und an der Bettoberfläche sowie eine Analyse des Rauchgases während des
Verbrennungsprozesses bei definierten Schürbewegungen. Der Aufbau des Versuchsstandes
und des Schürkonzeptes sind in Abbildung 2 schematisch dargestellt.
Abbildung 2: Schematische Darstellung a) des Versuchsstandes b) der Brennerschale mit verfahrbaren Elementen
Abbildung 2a zeigt den schematischen Aufbau des Versuchsstandes, Abbildung 2b eine
Detailansicht des Brenntellers mit verfahrbaren Elementen. Der Luftmassenstrom sowie die
entsprechende Primär-/Sekundär-Luftstufung wird über eine Messblende eingestellt. Dazu wird
der Luftstrom über einen Verdichter erzeugt und vor der Messblende in zwei getrennte
Luftmassenströme aufgeteilt. Anschließend wird für jeden Luftstrom der Druckverlust über der
Blende gemessen und der Massenstrom (nach DIN EN ISO 5167-2:2004) für jede
Einzelströmung berechnet. Über Ventile des Verdichters sowie der einzelnen
Luftversorgungskanäle kann der Globalluftmassenstrom sowie dessen Aufteilung in Primär/- und
Sekundärluft eingestellt werden. Der Primärlufteintritt befindet sich am Trägerrohr des
Brenntellers. Die Sekundärluft strömt über den umschließenden Kasten am Trägerohr vorbei in
den Brennraum. Das Trägerrohr selbst steht frei auf einer Waage mit einer Auflösung von 0,01g
(entspricht ca. 25% der Masse eines typischen Ausgangspartikels). Die Partikelschüttung wird
über Strahlungswärme von den elektrisch beheizten, den Brennraum umschließenden Wänden
aufgeheizt. Der Reaktionsraum ist dabei durch ein Quarzglasrohr luftdicht von der Umgebung
getrennt. Über eine hydraulische Verfahreinheit kann der Kasten mitsamt Trägerohr und
Partikelschüttung nach Befüllung in den Brennraum eingeführt werden, sodass der Kasten
luftdicht mit dem Versuchstisch verbunden ist. Neben der Aufzeichnung des Masseverlustes mit
einer Messfrequenz von 1 Hz werden die Volumenanteile an CO, CO2, O2 (bezogen auf das
trockene Abgas) und unverbrannter Kohlenwasserstoffe (gemessen über die Masse an
a) b)
Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
ionisierten C-Atomen, Umwandlung des Messsignals in äquivalente Volumenanteile CH4 –
bezogen auf das feuchte Abgas) bei gleicher Messfrequenz über die Abgasanalytik bestimmt. Die
Abgasanalyse (Küvettenvolumen und Zuleitungen) führt zu einer Zeitverzögerung des
Messsignals von ca. 7 Sekunden. Zur Überwachung und Messung der
Bettoberflächentemperaturen während der Versuche befinden sich eine Videokamera sowie eine
Infrarotkamera oberhalb des Deckels mit eingelassenem Sichtfenster aus Quarz-/Saphirglas. Der
Brennteller ist von einer Edelstahlschale mit einer Höhe von 200 mm und einem
Innendurchmesser von 174 mm umschlossen. Im inneren des Brenntellers befinden sich zur
Realisierung einer definierten Schürung drei Ringelemente, von denen zwei unabhängig
voneinander in vertikaler Richtung durch Schrittmotoren verfahrbar sind. Die Primärluft strömt
über 3 radial gleichmäßig verteilte Ringspalte einer Weite von 3 mm in die Partikelschüttung. Die
beweglichen Ringelemente ermöglichen die Programmierung beliebiger Schürmuster durch
Einstellung der Hublänge, der Hubgeschwindigkeit sowie des zeitlichen Versatzes von Innen- und
Außenring. Der vollständig aufgebaute und in Betrieb genommene Versuchsstand ist auf dem
Anlagenfoto in Abbildung 3 zu sehen.
Abbildung 3: Betriebsfertiger Versuchsstand
5.2 Fluiddynamische Charakterisierung
Der aufgebaute Versuchsstand wurde zunächst hinsichtlich seiner fluiddynamischen
Eigenschaften sowie der Wirkung einer Brennstoffschüttung auf die Strömungsverhältnisse
charakterisiert. Dabei wurde im ersten Schritt eine vereinfachte Brenntellerschale verwendet,
um den grundsätzlichen Einfluss der Luftstufung bei unterschiedlicher Porosität der Schüttung
und bei variierenden einheitlichen Partikelgeometrien zu bestimmen. Der Versuchsaufbau
gestattet die gezielte Durchströmung des Brennbetts (Primärluft), die seitliche Umströmung des
Brennbetts (Sekundärluft) über separate Zuleitungen sowie eine beliebige Aufteilung zwischen
den zwei Verbrennungsluftströmen. Für Schüttungen aus Partikeln unterschiedlicher Form und
Größe wurde zudem im kalten Betrieb Geschwindigkeitsfelder und Turbulenzgrade direkt
oberhalb des Brennbetts und im darüber liegenden Brennraum mittels einer LDA–
Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Glasfasersonde (Laser-Doppler-Anemometer) gemessen. Dazu wurde jeweils die
Geschwindigkeitskomponente in Hauptströmungsrichtung (z-Richtung) an mehreren, 1 cm
voneinander entfernten Messpunkten erfasst. Die Messpunkte lagen auf einer Geraden (x- oder
y-Richtung) im Strömungsquerschnitt, sodass das radiale Geschwindigkeitsprofil im
zylindrischen Versuchsraum bestimmt wurde. Die Profilmessungen erfolgten dabei durch
Zugänge auf drei unterschiedlichen Höhen in Strömungsrichtung (z-Richtung), bzw. durch drei
über den Umfang verteilte Zugänge (Abbildung 4).
Abbildung 4: Aufbau der LDA-Messungen
Insbesondere bei den von der Kugelform abweichenden Partikeln und niedriger Schütthöhe
ergaben sich die erwarteten asymmetrischen, zufallsbedingten Geschwindigkeitsprofile mit
größeren Rezirkulationsgebieten. Diese Strömungsverhältnisse sind einerseits für die
Verbrennungsversuche andererseits für den Vergleich mit Simulationen schwer zu
reproduzieren. Daher muss in weiteren Versuchen die Wiederholbarkeit der Ergebnisse
überprüft werden. Bei kleineren Partikeln (d < 10 mm), niedriger Anströmgeschwindigkeit oder
höherer Schüttung ergab sich dagegen, wie in Abbildung 5 dargestellt, ein homogeneres
radiales Geschwindigkeitsprofil.
Abbildung 5: Radiales Geschwindigkeitsprofil für unterschiedliche Partikelgeometrien (links) und Turbulenzgrad(rechts)
Der Turbulenzgrad, der aus der Varianz der über dem Querschnitt gemessenen
Strömungsgeschwindigkeiten abgeleitet wird, war direkt oberhalb der Schüttung größer, wenn die
Seite 12 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Partikelform stärker von einer Kugel abwich, die Schütthöhe klein war und Partikel bzw. die
Anströmgeschwindigkeit groß waren. In Strömungsrichtung (axial) verringerte sich jedoch jeweils
der Turbulenzgrad (Abbildung 5). Die Ergebnisse zeigten, dass bei den niedrigen
Strömungsgeschwindigkeiten und deren starken Schwankungen, der Turbulenzgrad eine
weniger geeignete Größe zur Analyse der lokalen Strömungsverhältnisse darstellt. Aus diesem
Grund wurde im Weiteren die turbulente kinetische Energie (Varianz der zeitlich gemittelten,
lokalen Strömungsgeschwindigkeiten und aus physikalischer Sicht die lokal zur Verfügung
stehende Mischenergie) als Größe zur fluiddynamischen Charakterisierung herangezogen.
Nach Fertigstellung der erweiterten Brenntellerschale mit der Möglichkeit definierter
Schürbewegungen und größerem Schüttvolumen wurden analoge Experimente oberhalb der
Schüttung bei variierender Schüttguthöhe und im bewegten Betriebszustand gemessen.
Abbildung 6: Schematische Darstellung der LDA-Experimente
Zur fluiddynamischen Charakterisierung des Brenntellers mit verfahrbaren Elementen wurde das
Strömungsfeld über der Schüttung im Brennteller mit Hilfe des Laser-Doppler-Anemometers
vermessen. Dazu wurden die radialen Profile der vertikalen Geschwindigkeitskomponente und
der turbulenten kinetischen Energie bestimmt. Bei den Versuchen wurden 10 mm
Buchenholzkugeln bei verschiedenen Schütthöhen (0 mm, 50 mm, 100 mm) unter variierenden
Luftstufungen (Primär-/Sekundärluft) direkt über der Brenntellerschale untersucht.
Einführstutzen für LDA-Sonde
Schütthöhe 10
Schütthöhe 5
Primärluft
Seku
nd
ärlu
ft
Seku
nd
ärlu
ft
Seite 13 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 7:Radiale Verteilung der vertikalen Geschwindigkeitskomponente und der turbulenten kinetischen Energie
Abbildung 7 zeigt die radiale Geschwindigkeitsverteilung und die turbulente kinetische Energie
50 mm oberhalb der Brenntellerschale für verschiedene Schütthöhen (vgl. Abbildung 6). Es
werden darin die LDA-Experimente mit den CFD-Simulationen verglichen (exemplarisch bei einer
Luftstufung von 50%). Während die Ausbildung der typischen Geschwindigkeitsprofile in
Wandnähe durch die Simulation gut wiedergegeben werden können, zeigen sich Unterschiede in
den Geschwindigkeitsprofilen oberhalb der Schüttung. Die gemessene turbulente kinetische
Energie über der Partikelschüttung zeigt deutliche Variationen entlang des Querschnittes. Die
Simulationen hingegen zeigen eine über den Querschnitt konstante, im Vergleich deutlich
niedrigere turbulente kinetische Energie. Lediglich in Wandnähe kann diese hinreichend genau
abgebildet werden. Dies zeigt deutlich die Schwächen des aktuell Verwendung findenden
Porositätsansatzes zur Berechnung der Partikel-Feststoff Interaktion. In diesem wird ein
gemittelter Druckverlust für die gesamte Schüttung berechnet, der zu einer über den gesamten
Querschnitt konstanten Verringerung der berechneten Strömungsgeschwindigkeit führt. Die
lokalen, zeitlichen Schwankungen, welche entscheidend für die Durchmischung der freigesetzten
Pyrolysegase mit dem Oxidator sind, können demnach mit dem Porositätsansatz nicht
hinreichend abgebildet werden.
Dies macht den Forschungsbedarf für Modelle deutlich, mit denen die Skalen der Fluidbewegung
zwischen den zeitlich und räumlich homogenisierten stationären Ansätzen (Porosität) einerseits
und hochaufgelösten Direkte Numerische Simulationen (DNS) andererseits, numerisch
erschlossen werden können. Entsprechende Large-Eddy-Simulationen (LES), die eine
Wechselwirkung mit dem bewegten Feststoff berücksichtigen, sind ein denkbarer Ansatz.
5.3 Wärmeübertragung in inerter Schüttung
Zur Analyse der zufälligen räumlichen Verteilung der Partikel in einem ebenen Querschnitt der
Schüttung bzw. die daraus resultierende Abschattung der darunterliegenden Schichten wurde die
Eindringtiefe einer diffusen Lichtquelle für Systeme aus Partikeln unterschiedlicher Form
abhängig von der Schichthöhe gemessen. Dazu wurden definierte Partikelmengen schichtweise
auf eine beleuchtete Milchglasscheibe aufgetragen und unter Ausschluss zusätzlicher
Lichtquellen eine digitale Aufnahme mit einer hochauflösenden Kamera erzeugt (vgl. Abbildung
8). Über eine Bildauswertung der belichteten Pixel konnten Verteilung und Intensität der
durchgelassenen Strahlung quantifiziert werden.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0.00 0.05 0.10
Wm
itte
l[m/s
]
Radius [m]
Schütthöhe 0 - Sim
Schütthöhe 5 - Sim
Schütthöhe 10 - Sim
Schuetthöhe 0 - LDA
Schütthöhe 5 - LDA
Schütthöhe 10 - LDA
SchaleWand0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
turb
. kin
. En
ergi
e [m
²/s²
]
Zeit [s]
Schale Wand
Seite 14 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 8: Eindringtiefe der Strahlung bei unterschiedlicher Betthöhe und Partikelform
Wie in Abbildung 8 zu erkennen ist, war bei den von der Kugelform abweichenden Partikeln
vergleichbar mit den Ergebnissen der strömungsmechanischen Charakterisierung, eine
inhomogen verteilte Strahlungsintensität zu messen. Unabhängig von der Partikelform wurde
durch drei Partikelschichten jedoch jeweils nur noch ein minimaler Anteil der Strahlung
durchgelassen. Insbesondere für die Modellierung der Partikel-Brennraum Strahlung in den
Simulationen kann dieser Umstand für eine Vereinfachung der Berechnungsmodelle verwendet
werden. So werden in den Simulationen lediglich die obersten 3 Schichten auf Sichtkontakt mit
dem Brennraum überprüft, was zu einer erheblichen Senkung der Rechenzeit beiträgt.
5.4 Überprüfung der dreidimensionalen Wärmeübertragung in
Partikelschüttungen.
Zur Überprüfung und Anpassung der Wärmeübertragungsmodelle in der DEM/CFD Simulation
wurden Aufheizversuche mit Inertpartikeln (Aluminiumoxid) durchgeführt. Dazu wurden zunächst
die Aufheizverläufe der Schüttungen sowie der leeren Brenntellerelemente bei stufenweise
angefahrenen Sollwerttemperaturen (200°C, 400°C, 650°C) der Ofenregelung bestimmt.
Weiterhin wurden erste Versuche unter den für die Verbrennungsversuche geplanten
Betriebsbedingungen (Luftzufuhr, Ofenvorheizung) bei 650°C durchgeführt. Da die
Strahlungswärme von den elektrisch beheizten Wänden, welche über einen PID Regler auf dem
eingestellten Temperaturniveau gehalten werden ausgeht, wurden diese Halbschalen auch im
CFD Modell mit entsprechender Ofenregelung modelliert. Weiterhin wurde das
Strahlungsverhalten des den Brennraum umschließenden Quarzglaszylinders im CFD Modell
berücksichtigt. Mit Hilfe der Daten aus den Experimenten konnten die notwendigen
Randbedingungen für die CFD Simulation ermittelt sowie die aktuell implementierten
Strahlungsmodelle beurteilt und angepasst werden.
Seite 15 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 9: a) CFD-Simulation der Ofenregelung, b) Vergleich der Experimentellen und numerischen Daten
Zur Definition der Temperaturrandbedingungen in den gekoppelten DEM/CFD
Verbrennungssimulationen wurden, wegen der für Temperaturmessungen unzugänglichen
Heizelemente, CFD-Simulationen unter Berücksichtigung der der Reglercharakteristik und einer
detaillierten Modellierung der transmissiven Eigenschaften des Quarzglases mit dem in ANSYS
Fluent implementierten Discrete Ordinates Modell durchgeführt und mit Messungen verglichen.
Abbildung 9a zeigt das Temperaturprofil der Heizelemente zu den unterschiedlichen
Sollwerttemperaturen. In axialer Richtung wird eine homogene Verteilung der Strahlungswärme
erzielt, was eine gleichmäßigere Aufheizung des Brennraumes und der Schüttung gewährleistet.
Zur Überprüfung der Randbedingungen aus der CFD Simulation wurden die Aufheizraten der
Tellerelemente ohne Befüllung gemessen und mit den Ergebnissen der Simulation verglichen.
Abbildung 9b zeigt die gemessenen (durchgezogene Linien) und in den Simulationen(gestrichelte
Linien) durch die Reglercharakteristik vorgegebenen Ist-Wert der Temperaturen der Ofenheizung
(rot, gelb) und die gemessene und simulierte Kerntemperatur des Tellerelementes (blau). Die
Kurvenverläufe zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment. Damit
kann die in den CFD-Simulationen definierte Randbedingung als hinreichend genau
angenommen werden. Damit sind potentielle Abweichungen in den folgenden Vergleichen
zwischen gemessenen und simulierten Partikeltemperaturen auf die im vorliegenden
Wärmeübertragungsmodell getroffenen Annahmen zurückzuführen.
Im nächsten Schritt wurden daher das Wärmeübertragungsmodell und die Annahmen für die
Strahlungswärmeübertragungen in gekoppelten DEM/CFD Simulationen mit experimentellen
Daten verglichen. Dazu wurden Schüttungen aus Stahlkörpern unterschiedlicher Form (Kugel
25 mm, Zylinder 10x25 mm) mit Kernbohrungen zur Temperaturmessungen einzelner Partikel für
die Experimente gefertigt. Für die DEM-Simulationen wurden passende Körper modelliert und
über ein dreidimensionales Tetraedergitter diskretisiert. Das gekoppelte
Wärmeübertragungsmodell berücksichtigt folgende physikalische Teilmechanismen:
3D – Oberflächenaufgelöste konvektive Wärmeübertragung
3D – Lösung der Wärmeleitungsgleichung zur Abbildung der partikelinternen Transport-
prozesse
3D-Oberflächenaufgelöste Strahlungswärmeübertragung bestehend aus:
Partikel-Partikel Strahlung
Partikel-Wand Strahlung
Partikel-Brennraum Strahlung
Seite 16 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 10 zeigt die dreidimensionale Oberflächen-Temperaturverteilung innerhalb einer
Schüttung für kugelförmige und zylinderförmige Partikel
Abbildung 10: Exemplarische Darstellung der inerten Wärmeübertragung einer Kugel und Zylinder Schüttung
Mit dem implementierten Strahlungsansatz lassen sich in der Simulation die
Wärmeübertragungsvorgänge in bewegten Schüttungen grundsätzlich abbilden.
Abbildung 10 zeigt neben den Oberflächentemperaturen entlang der Schüttungshöhe auch die
Temperaturverteilungen entlang der individuellen Partikel. Damit können die zwei
konkurrierenden Wärmeübertragungsmechanismen konvektive Kühlung durch kalte Primärluft
von unten und Aufheizung durch Strahlungsenergie aus dem heißen Brennraum räumlich
aufgelöst abgebildet werden.
Zur Beurteilung der tatsächlichen Abbildungsgüte der Wärmeübertragung über den DEM/CFD
Kopplungsansatz wurden korrespondierende Experimente mit Stahlkörpern durchgeführt. Dazu
wurden die Partikelkerntemperaturen von Stahlkörpern in jeweils zwei unterschiedlichen Ebenen
in vertikaler und radialer Richtung mit Thermoelementen vom Typ K gemessen. Der Brennraum
wurde zunächst auf stationäre Versuchsbedingungen von 650°C Außenwandtemperatur des
Quarzglases aufgeheizt. Anschließend wurde der mit Stahlkörpern gefüllte Probenhalter in den
Reaktor eingeführt und der Verdichter für die Luftversorgung angestellt.
Seite 17 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 11: Vergleich der Kugelkerntemperaturen in der Simulation und im Experiment
Abbildung 11 zeigt die Entwicklung der Kerntemperaturen in den Aufheizversuchen mit
Stahlkugeln in der obersten Partikelschicht (blaue Linie) und der darunterliegenden teilverdeckten
Schicht (rote Linie) jeweils für Partikel im Zentrum des Probenhalters (links, Zone 1,4) und an der
Außenwand anliegend (rechts, Zone 2,3). Die durchgezogenen Linien repräsentieren die
experimentellen Ergebnisse, die gestrichelten die Kerntemperaturen aus den Simulationen. Die
grauen Linien markieren jeweils den Streuungsbereich der Partikelkerntemperaturen der
repräsentativen Partikel in den korrespondierenden Ebenen der Simulation. Ein Vergleich der
Aufheizraten zeigt, dass das implementierte Wärmeübertragungsmodell die Effekte durch die
gegeneinander arbeitenden Wärmeübertragungsmechanismen qualitativ abbilden kann:
Partikel in der unteren Schicht heizen sich deutlich langsamer auf als unverdeckte
Partikel an der obersten Schicht
Partikel der unteren Schicht erreichen ein deutlich geringeres Temperaturniveau.
Seite 18 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 12: Vergleich der Zylinderkerntemperaturen in der Simulation und im Experiment
Abbildung 12 zeigt die Ergebnisse zu analogen Experimenten mit zylinderförmigen Partikeln.
Auch hier zeigt sich eine gute qualitative Abbildung der Aufheizraten in den unterschiedlichen
Zonen der Schüttung. Die Temperaturen werden hier zum Teil etwas stärker überschätzt als bei
kugelförmigen Partikeln. Eine Ausnahme bildet hier die gemessene Kerntemperatur des
verdeckten Zylinderpartikels in der zweiten Schicht in Wandnähe. Die veränderte Geometrie führt
hier zu einem deutlichen Anstieg der Komplexität des mechanischen Verhaltens. Dies macht es
im Gegensatz zu Kugeln erheblich schwieriger die repräsentativen Partikel aus den Simulationen
den experimentellen Daten individueller Partikel zuzuordnen. Zudem sind die getroffenen
Annahmen zur Vereinfachung der Strahlungsberechnung nur teilweise auf Zylinder übertragbar.
Die Kerntemperaturen in den Simulationen werden generell etwas überschätzt, können damit
zwar qualitativ jedoch nicht quantitativ hinreichend genaue Ergebnisse liefern. Aufgrund der
hohen Sensitivität des gesamten Verbrennungssystems, insbesondere im Zusammenhang mit
ständig wechselnden Randbindungen des zeitvarianten Systems bei geschürter Verbrennung
zeigen die Notwendigkeit weiterer Modellentwicklung und Modellverfikation.
5.5 Gasphasenreaktion in inerter Schüttung
Zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen der Flammenausbreitung und der
Wärmeübertragung von der Flamme auf die Partikel in geschürten Versuchen wurden
Verbrennungsversuche mit inertem Material und brennbarem Modellgas durchgeführt. Dies
ermöglicht die Betrachtung der in Wechselwirkung stehenden Effekte bei geschürter
Verbrennung unter Ausklammerung des zusätzlichen Einflusses der komplexen
thermochemischen Konversionsvorgänge der Biomassepartikel. Dazu wurde der Brennteller mit
verfahrbaren Elementen folgendermaßen konstruktiv angepasst:
Seite 19 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 13: Brenntellerkonstruktion für Modellgasversuche
30% geschürt
t=125 s t=130 s t=135 s
30% ungeschürt
t=125 s t=130 s t=135 s
Abbildung 14: Auswertung der Versuche mit Brenngasaufgabe
Seite 20 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 14 zeigt die Oberflächentemperaturen der sichtbaren Partikel an der Bettoberfläche
exemplarisch zu 3 Zeitpunkten. Die Wärme für die Aufheizung an der Partikeloberfläche wird in
diesen Experimenten lediglich von der Flamme des Modellgases generiert. Der rote Bereich
repräsentiert die Partikel direkt unterhalb der Flamme, der grüne den flammennahen Bereich und
der blaue die übrigen Partikel mit einer Oberflächentemper T> 200°C. Während im ungeschürten
Fall ein nahezu konstantes Temperaturprofil zu erkennen ist, ändert sich dieses zwischen den
Bildaufnahmen im geschürten Fall ständig. Im geschürten Fall werden demnach kontinuierlich
kalte Partikel an die Bettoberfläche transportiert, während sich im ungeschürten Fall ein
stationärer Zustand zwischen Strahlungsenergie von der Flamme und konvektiver Wärmeabfuhr
einstellt.
5.6 Charakterisierung der Brennstoffpartikel
Für die Verbrennung von stückigen Brennstoffen kommen Buchenholzpartikel definierter Form
(Kugel, Zylinder, Würfel) zum Einsatz. Für die jeweiligen Brennstoffe wurden zunächst Immediat-
und Elementaranalysen durchgeführt. Weiterhin wurden die Umsetzungsraten für das
Pyrolyseverhalten und den Koksabbrand sowie der Heizwert bestimmt.
Tabelle 1: Stoffdaten der eingesetzten Brennstoffe
Immediatananalyse (roh) Elementaranalyse (Wasser-und aschefrei)
HU m
Form Abmessungen [mm]
Wasser [%]
Flüchtige [%]
Koks [%]
C [%]
H [%]
O [%]
[MJ/kg]
[g]
Kugel 10 5.13 80.61 13.20 41.03 4.60 54.11 17.01 0.4
Zylinder 10X10 6.10 80.15 13.02 53.03 5.27 40.86 17.53 0.54
Würfel 10X10X10 5.90 80.30 13.14 49.08 5.49 45.16 17.31 0.7
In Tabelle 1 stehen die Daten der Brennstoffanalyse. Die gewählten Abmessungen der
Partikelformen führen zu einem gleichen Oberflächen/ Volumenverhältnis. Geringe Unterschiede
in der Zusammensetzung der Körper aufgrund verschiedener Lieferchargen des Herstellers
wirken sich nur gering auf das Abbrandverhalten des Gesamtsystems aus und werden
vernachlässigt.
Die Brennstoffauswahl ermöglicht insgesamt eine Zuordnung des formspezifischen
Einflussfaktoren und der Schürung auf den Massenumsatz.
Zur Bestimmung der Umsetzungsraten des Feststoffes, wurden zunächst Einzelpartikelversuche
am Einzelpartikel-Reaktor des LEAT durchgeführt. Dieser ermöglicht die Messung der
Feststoffkonversion indirekt über die Sauerstoffmessung bei kontrollierter konvektiver
Wärmezufuhr bis 1200°C in verschiedenen Ar/O2 Atmosphären. Die Ergebnisse wurden dazu
verwendet die unbekannten Parameter der implementierten Modelle für die Freisetzungsraten
der Flüchtigen sowie des Restkoksumsatzes iterativ zu bestimmen.
Seite 21 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 15: Exemplarische Darstellung der Einzelpartikelversuche (links) und der korrespondierenden Simulation
(rechts)
Abbildung 15 zeigt das brennende Partikel nach erfolgter Zündung der Pyrolysegase im
Einzelpartikelreaktor und in der entsprechenden Simulation. Typischerweise breitet sich in
diesem Fall die Flammenfront mit reagierenden Pyrolysegasen entsprechend der
Strömungsrichtung hinter der Kugel aus. Aufgrund der enorm hohen Temperaturen des
anströmenden Argon/Sauerstoff Gemisches beginnt die heterogene Reaktion des festen
Kohlenstoffs an der Partikeloberfläche auf der Rückseite des Partikels und breitet sich langsam
in Richtung der Strömungsrichtung aus. In den Simulationen zeigen sich ähnliche Effekte bzgl.
der Flammenausbreitung. Die Restkoksverbrennung wird in den aktuell eingesetzten Modellen
lediglich auf die gesamte Partikeloberfläche bezogen. Dies macht umso mehr die Notwendigkeit
der implementierten dreidimensionalen Wärmeübertragungsmechanismen als auch die
Entwicklung bzw. Implementierung neuer Ansätze zur dreidimensionalen Berechnung der
heterogenen Reaktion des Restkokses deutlich.
Abbildung 16: Exemplarische Ergebnisse Simulationen und Experimente am Einzelpartikelreaktor des LEAT
Abbildung 16 zeigt die gemessene (rot) und die mit der Simulation berechnete
Sauerstoffkonzentration (gelb) während der Einzelpartikelversuche für Buchenholzkugeln von
einem Durchmesser von 10 mm. Demnach kann die Feststoffkonversion mit dem implementierten
Modell qualitativ wiedergegeben werden, wobei die tatsächliche Reaktion der Flüchtigen in der
Gasphase zu kurz angenommen wird. Weiterhin wird auch die verbrauchte Sauerstoffmenge
0.185
0.19
0.195
0.2
0.205
0.21
0.215
0 20 40 60 80
O2
[V
ol%
]
Zeit [s]
Seite 22 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
unterschätzt. Dies kann auf die nur näherungsweise bekannte Stöchiometrie der
Pyrolysegasumwandlung zurückgeführt werden.
Für die Simulation des Partikelabbrandes unter Berücksichtigung der dreidimensionalen
Wechselwirkung der Aufheizung durch Strahlung und der Kühlung durch Konvektion ist zusätzlich
die Kenntnis der unterschiedlichen Umsetzungsraten der Pyrolyse und der heterogenen
Restkoksverbrennung bzw. deren jeweiligen Anteile an der Feststoffkonversion notwendig. Da
die Rate der Pyrolysegasfreisetzung in inerter Umgebung untersucht werden muss, eignet sich
der Einzelpartikelreaktor am LEAT mit der indirekten Messung des Massenumsatzes über die
Sauerstoffkonzentration (anstelle einer Wägung) weniger für diese Messung. Aus diesem Grund
wurden verfügbare Daten aus der Literatur [1] als Grundlage für die Bestimmung der
makrokinetischen Daten verwendet.
Abbildung 17: DEM/CFD Modell der Verbrennungsversuche des LOKI Reaktors
Abbildung 17 zeigt das Modell des LOKI-Reaktors des Fraunhofer Instituts Umsicht in einer
Messung der Massenabnahmerate einer einzelnen Buchenholzkugel. Im Gegensatz zu dem
Einzelpartikelreaktor des LEAT wird die Massenabnahme über ein gravimetrisches System
direkt gemessen. Weiterhin sind die Anströmgeschwindigkeiten und Temperaturen geringer.
Der für die Konversion dominante Wärmestrom wird über die Strahlungswärme von den
umliegenden Wänden bereitgestellt.
Seite 23 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 18: Ergebnisse der Einzelpartikeluntersuchungen am LOKI-Reaktor und korrespondierender Simulationen
Abbildung 18 zeigt die Massenabnahme und Partikelkerntemperatur der Buchenholzkugeln aus
den Messungen am LOKI-Reaktor (durchgezogene Linie) und den korrespondierenden
Simulationen mit bereits angepassten makrokinetischen Koeffizienten (gestrichelte Linie). Diese
wurden jeweils zunächst unter annähernd inerter Umgebung für Pyrolysebedingungen (grüne
Linie) und anschließend für Pyrolyse und Restkoksverbrennung unter Sauerstoffzugabe (blaue
Linie) durchgeführt. Die temperaturinduzierte Freisetzung der Pyrolysegase sowie die
entsprechende Aufheizrate wird mit den aktuellen Verbrennungsmodellen annähernd
wiedergegeben, z. T allerdings überschätzt. Die vollständige Massenabnahme des Partikels
inklusive der zusätzlich vom Stoffübergang des Sauerstoffes abhängigen heterogenen
Verbrennung des Restkokses an der Partikeloberfläche wird lediglich qualitativ wiedergegeben.
Zwar wird eine erhöhte Massenabnahmerate infolge der zusätzlichen Energie durch die
Restkoksverbrennung im Modell wiedergegeben, die abnehmende Masse sowie die resultierende
Partikelkerntemperatur werden allerdings über- bzw. unterschätzt.
Aufgrund der begrenzten Datenbasis war es im Rahmen des Projektes nicht möglich
entsprechende Koeffizienten für eine Vielzahl von Betriebsbedingungen, Partikelgeometrien und
Brennstoffen zu bestimmen. Entsprechende zusätzliche Versuche am Einzelpartikelreaktor des
LEAT waren zudem ohne aufwendige konstruktive Veränderungen nicht sinnvoll und daher
zeitlich wie finanziell nicht realisierbar.
5.7 Untersuchungen reagierender, geschürter Schüttungen
Zur Überprüfung der theoretischen Beschreibung wurden Buchenholzpartikel definierter
Geometrie (Kugel, Zylinder, Würfel) bei gleicher Schütthöhe (50 mm) unter verschiedenen
Betriebsbedingungen verbrannt. Gemessen wurden jeweils die Massenabnahme der
Partikelschüttung, die Temperatur im Brennraum sowie die Anteile an CxHy, CO, CO2, O2 im
Abgas. Für die Aufheizung der Schüttung wurde eine konstante Außenwandtemperatur des den
Brennraum umschließenden Quarzglaszylinders von 650°C gewählt und eingestellt. Variiert
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
0
200
400
600
800
1000
1200
0.00 100.00 200.00
m/m
0 [-]
Kern
tem
era
tur
[K]
Zeit [s]T_ox-Exp T_inert-Sim
T_ox-Exp Tcore-sim Comb
m_ox-Exp m_ox-Sim
m0Exp m_inert-Sim
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
175.00 195.00 215.00 235.00
m/m
0
Zeit [s]
T_ox-Sim
m_inert-Exp
Seite 24 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
wurden jeweils die Luftstufung (30%, 50%, 70% Primärluftanteil) bei konstantem Gesamt-
Luftmassenstrom von 17 g/s. Zu jeder Partikelform und Luftstufung wurden jeweils ungeschürte
und definiert geschürte Verbrennungsversuche durchgeführt.
Gemessen wurden jeweils der Masseverlust der Schüttung, die Temperaturen im Brennraum
sowie die Abgaszusammensetzung. Die Ergebnisse der Versuchsreihe können zunächst in die
charakteristischen Phasen des Verbrennungsprozesses gemäß Abbildung 19 eingeteilt werden:
Abbildung 19: Phasen des Verbrennungsprozesses
Abbildung 19 zeigt den zeitlichen Verlauf der relativen Massenabnahme einer ruhenden
Partikelschüttung exemplarisch für Kugeln bei 30% Primärluftzufuhr. Grundsätzlich kann der
Prozess in drei Phasen eingeteilt werden:
Aufheizung: Aufheizung der Partikelschüttung, teilweise Trocknung und Freisetzung der
brennbaren Bestandteile, ohne Zündung der freigesetzten Pyrolysegase im Brennraum,
geringe Massenabnahme.
0
0.5
1
0 200 400 600 800
m/m
0
Zeit [s]
Aufheizungstationäre Verbrennung
Ausbrand
Seite 25 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Stationäre Verbrennung: Nach Zündung der Pyrolysegase im Brennraum oberhalb der
Schüttung. Starke Massenabnahme, Reaktion der Kohlenwasserstoffe, teilweise lokale
heterogene Reaktion des festen Kohlenstoffs im Partikel.
Ausbrand: keine Freisetzung/Reaktion von Kohlenwasserstoffen, Ausbrand des
Restkokses im Partikel, langsame Reaktionsrate, geringe Restmasse der Schüttung.
Die Experimente mit geschürter und ungeschürter Verbrennung haben gezeigt, dass die Dauer
und Intensität der Massenabnahme in den einzelnen Phasen der Verbrennung signifikant von der
Schürung in Wechselwirkung mit der Luftstufung und Partikelform beeinflusst werden.
Abbildung 20 zeigt die Massenabnahme geschürter (gestrichelte Linie) und ungeschürter
(durchgezogene Linie) Verbrennung von Buchenholzkugeln bei Variation der Luftstufung.
Abbildung 20: Massenabnahme bei geschürter und ungeschürter Verbrennung von Buchenholzkugeln
Grundsätzlich lässt sich erkennen, dass die Phase der Aufheizung der Schüttung bei geschürter
Verbrennung deutlich länger dauert als im ungeschürten Fall. Dies kann auf die kontinuierliche
konvektive Kühlung, der zuvor an der Bettoberfläche durch Strahlungswärme aufgeheizten und
anschließend durch Schürung ins Bett transportierten Partikel zurückgeführt werden. Gleichzeitig
werden kalte Partikel aus dem Bettinneren an die oberste Schicht gefördert und müssen erst auf
das entsprechende Temperaturniveau aufgeheizt werden, bis flüchtige Bestandteile freigesetzt
werden. Weiterhin ist eine erhöhte Sensitivität des Zündzeitpunkts (der Gasphase oberhalb des
Brennbetts) auf die Primärluftmenge bei geschürter Verbrennung zu beobachten. Im geschürten
Fall ist der Zündzeitpunkt umso stärker verzögert, je mehr Primärluft dem System zugeführt wird.
Hier scheint die erhöhte konvektive Kühlung des Bettes durch die größere
Leerrohrgeschwindigkeit die Aufheizung der Schüttung zu verzögern, da durch die Umwälzung
der Partikel eine größere Wärmeabfuhr durch Konvektion erfolgt. Im ungeschürten Fall dagegen
scheint die Primärluftmenge einen geringen Einfluss auf den Zündzeitpunkt der Schüttung zu
haben, da die oberste Partikelschicht konstant Strahlungswärme von den Heizflächen erhält und
die Primärluftströmung kaum Einfluss auf die oberste Schicht hat. Nach Zündung der flüchtigen
Bestandteile im Reaktionsraum oberhalb der Schüttung beginnt die stationäre
Seite 26 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Verbrennungsphase. Hier wird zusätzliche Strahlungsenergie von der Flamme an die Schüttung
transportiert. In dieser Phase ist die Massenabnahmerate bei geschürter Verbrennung im
Vergleich zum ungeschürten Fall stark erhöht. Aufgrund der hohen Strahlungsenergie kehrt sich
der Effekt durch Umwälzung der Partikel um. Es dominiert die Strahlungswärmezufuhr an kalte
Partikel, die infolge der Bettbewegung in die oberste Schicht transportiert werden. Im Gegensatz
dazu kann im ungeschürten Fall die Strahlungswärme aus dem Brennraum kaum durch die
bereits verbrannten Partikel an den obersten Schichten ins Innere der Schüttung vordringen,
sodass ein Abbrand des Festbettes in Schichten stattfindet. Die Wärme wird in diesem Fall durch
die heißen Partikel der brennenden Schicht ins Innere der Schüttung transportiert. Die
unterschiedlichen Luftstufungen scheinen hier lediglich einen geringen Einfluss auf die
Umsetzungsrate des Feststoffes in der Schüttung zu haben, werden allerdings im späteren
Verlauf noch diskutiert. In der Ausbrandphase kann kein Unterschied zwischen geschürtem und
ungeschürtem Betrieb festgestellt werden. Aufgrund der lokal an der Partikeloberfläche
stattfindenden heterogenen Restkoksverbrennung sowie den damit verbundenen langen
Zeitskalen, ist der Einfluss der mechanischen Bewegung des Bettes hier vernachlässigbar.
Abbildung 21: Masseverlust bei geschürter und ungeschürter Verbrennung bei a) Zylinder und b) Würfel
0
0.5
1
0 500 1000
m/m
0
Zeit[s]
a) Zylinder
0
0.5
1
0 500 1000
m/m
0
Zeit[s]
b) Würfel
30% Primärluft - geschürt 30% Primärluft - ungeschürt
50% Primärluft - geschürt 50% Primärluft - ungeschürt
70% - Primärluft - geschürt 70% - Primärluft - ungeschürt
Seite 27 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 21: zeigt den Masseverlust bei geschürter und ungeschürter Verbrennung bei
Versuchen mit von der Kugelform abweichenden Partikeln, analog zu den Versuchen in
Abbildung 20 dargestellt. In den Experimenten mit zylinderförmigen Partikeln lassen sich zu den
Ergebnissen für kugelförmige Partikel vergleichbare Effekte beobachten. Im Gegensatz dazu
ändern sich diese bei würfelförmigen Partikeln. Zwar kann eine leichte Verzögerung der Zündung
im geschürten Fall beobachtet werden, allerdings scheint die Sensitivität des Zündzeitpunkts auf
die Primärluftmenge nicht gegeben. Dies kann auf mechanischen Eigenschaften der Partikel
zurückgeführt werden. Zum einen kann eine schwächere Durchmischung infolge von verkanteten
Partikeln und Brückenbildung angenommen werden, zum anderen werden würfelförmige Partikel
weniger um Ihre eigene Rotationsachse gedreht, weshalb auch im ungeschürten Fall ein
konstanter Strahlungswärmetransport zwischen den Brennraumwänden und den
Partikeloberflächen gewährleistet ist. In der Verbrennungsphase kann allerdings eine intensivere
Feststoffkonversion durch Schürung beobachtet werden. Hier scheint der Transport der
Strahlungsenergie auch bei schwacher Durchmischung die konvektive Wärmeabfuhr deutlich zu
dominieren.
Im Folgenden werden repräsentative Bildaufnahmen der Experimente einzelner
Partikelgeometrien und Luftstufungen dargestellt und diskutiert. Die Aufnahmen wurden jeweils
relativ zum gleichen relativen Zeitpunkt bezogen auf die Zündung der Gasphase erstellt, um
vergleichbare Zustände der Verbrennungsexperimente zu visualisieren.
Seite 28 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Zündung (t-10s)
Primärluftanteil Kugeln Zylinder Würfel
30% ungeschürt
geschürt
50% ungeschürt
geschürt
70% ungeschürt
geschürt
Abbildung 22: Repräsentative Bildaufnahmen der Bettoberfläche kurz vor (10s) der Zündung der Gasphase
Seite 29 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Verbrennung (t+60s)
Primärluftanteil Kugeln Zylinder Würfel
30% ungeschürt
geschürt
50% ungeschürt
geschürt
70% ungeschürt
geschürt
Abbildung 23: Repräsentative Bildaufnahmen der Bettoberfläche nach (60s) der Zündung der Gasphase
Seite 30 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Ausbrand (t+360s)
Primärluftanteil Kugeln Zylinder Würfel
30% ungeschürt
geschürt
50% ungeschürt
geschürt
70% ungeschürt
geschürt
Abbildung 24: Repräsentative Bildaufnahmen der Bettoberfläche kurz nach der stationäre Verbrennung
Seite 31 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 22 zeigt die Bildaufnahmen der Experimente jeweils 10 s vor Zündung der Gasphase
für alle untersuchten Partikelgeometrien und Luftstufungen im geschürten und ungeschürten
Betrieb. Im ungeschürten Fall bildet sich unabhängig der Partikelgeometrien und der
Primärluftmenge eine Zone glühender und bereits teilweise pyrolysierter Partikel im Zentrum der
Schüttung aus. Im Gegensatz dazu sind kaum glühende Partikel bei der geschürten Verbrennung
zu identifizieren. Tendenziell sind die heißen Partikel eher Richtung Außenwand, an der die
Beweglichkeit der Partikel limitiert ist, lokalisiert. Dieser Effekt ist umso stärker je höher die
Primärluftmenge ist.
Abbildung 23 zeigt die Draufsicht in den Reaktor in der stationären Verbrennungsphase. Die
Aufnahmen wurden jeweils 60 s nach der Zündung erstellt, was vergleichbare Zustände des
Systems bei vollständig ausgebreiteter Reaktionszone der Gasphase ermöglicht. Generell ist
eine Verschiebung der Flamme von der Partikeloberfläche in Richtung des Reaktorraums mit
sinkender Primärluftmenge zu erkennen. Dies zeigt die Verschiebung der stöchiometrischen
Bedingungen. Bei hoher Primärluftmenge sind stöchiometrische Bedingungen im Bett vollständig
durch die zugeführte Primärluftmenge gegeben. Dies zeigt sich in den vielen kleinen lokalen
Flammen um die Partikel. Sind unterstöchiometrische Bedingungen im Bett durch die gegebene
Primärluft vorhanden, kann die vollständige Verbrennung der Flüchigen erst durch Mischung mit
der Sekundärluft erfolgen. Aufgrund des geringen Reaktorvolumens kann es deshalb zu
unvollständiger Verbrennung mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen und erhöhtem CO Ausstoß
kommen. Vor allem im ungeschürten Fall sind demnach stets unterstöchiometrische
Bedingungen im Bett gegeben, sodass eine Verbrennung erst im Reaktorvolumen oberhalb des
Brenntellers erfolgen kann. Dies steht im Zusammenhang mit der erhöhten Freisetzungsrate
aufgrund des intensiveren Wärmeeintrags durch Strahlung aus dem Brennraum bei gleicher
Luftmenge.
In Abbildung 24 ist der Zustand der Bettoberfläche in der Ausbrandphase für alle Variationen der
zuvor diskutierten Versuche dargestellt. Tendenziell ist eine Erhaltung der Partikelform für die
geschürten Versuche zu erkennen, während diese bei ungeschürten Versuchen durch eine an
der Oberfläche angesammelte Ascheschicht verdeckt sind.
Schürintensitäten
Zur Untersuchung der Sensitivität des Verbrennungsvorgangs auf die Schürung wurden
Versuche mit verschiedenen Schürintensitäten durchgeführt. Dabei wurden die Parameter
Hublänge, Hubgeschwindigkeit und zeitlicher Versatz der Bewegung variiert. Zunächst wurden
verschieden Schürmuster gemäß Tabelle 1 im Kaltversuch untersucht und hinsichtlich Ihrer
Schürintensität quantifiziert. Weiterhin konnten auch die formspezifischen Unterschiede in der
Durchmischungsintensität analysiert werden.
Tabelle 2: Parameter ausgewählter Schürmuster
Außenring Innenzylinder Versatz
Hublänge [mm]
Hubgeschwindigkeit [mm/s]
Hublänge [mm]
Hubgeschwindigkeit [mm/s]
Δt [s]
S0 40 5 30 5 9
S1 35 10 35 10 0
S2 35 5 35 5 0
S3 17,5 10 17,5 10 0
Seite 32 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Zu diesem Zweck wurde eine Partikelschüttung einer Schütthöhe von 50 mm in 3 Schichten
(Abbildung 25) unterteilt. Neben der Quantifizierung der Schürintensität konnte auch die
Abbildungsgüte der mechanischen Interaktion der Partikel durch die DEM Simulationen anhand
ausgewählter Vergleichsfälle ausgewertet werden.
Abbildung 25: Initialisierungs- und Endzustand der Durchmischungsversuche
Abbildung 25A zeigt die Einteilung der Partikel in drei verschiedene Farbschichten vor
Versuchsbeginn. Abbildung 25B zeigt die Verteilung der farbigen, kugelförmigen Partikel in der
obersten Partikelschicht zum Initialisierungszustand t0 und zum Zeitpunkt tmax=490 s für das
Experiment und die Simulation (oben) in der Draufsicht exemplarisch für Schürmuster S0. Zur
Quantifizierung des Durchmischungsverhaltens und Verifikation der Beschreibung dieser
Prozesse in den Simulationen wurden die Bildaufnahmen der Experimente und Simulationen zu
definierten Zeitpunkten grafisch ausgewertet. Dazu wurde die Anzahl der roten, grünen und
blauen Pixel in jedem Einzelbild bestimmt.
Abbildung 26: Mischungsindex und Verteilung der Farbanteile einer Kugelschüttung unter Schürmuster S0
Seite 33 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 26 zeigt den zeitlichen Verlauf der prozentualen Anteile der an der Oberseite der
Schüttung sichtbaren Partikelfarben und den sich daraus ergebende Mischungsindex. Mit
zunehmender Mischungsdauer sinkt der Anteil der Partikel aus der obersten Schicht (rot)
während die Anteile der zweiten und dritten Schicht (grün, blau) zunehmen. Die Simulationen
(gestrichelte Linien) zeigen dabei eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten
(durchgezogene Linien). Nach diesem Konzept wurde eine Reihe von Schürintensitäten bei
variierenden Parametern und Geometrien bestimmt, um so den Zusammenhang zwischen
Schürintensität und Massenabnahmerate während der Verbrennung herzustellen.
Abbildung 27: Mischungsindex bei Variation der a) Partikelgeometrie und b) der Schürparameter (Kugel)
Abbildung 27a zeigt die Mischungsindizes für variierende Partikelgeometrien bei gleichen
Schürparametern (S0). Dabei zeigt sich eine abnehmende Durchmischung bei stärkerer
Abweichung von der Kugelform. Lokale Brückenbildung und verkanten der Partikel hemmt den
Transport aus dem Schüttungsinneren an die Partikeloberfläche. Abbildung 27b zeigt die
Durchmischung bei Versuchen mit verschiedenen Schürparametern mit kugelförmigen Partikeln.
Die Schürmodi S1-S3 (vgl. Tabelle 2) fahren jeweils das gleiche Bewegungsmuster mit
konstanter Relativbewegung der unabhängigen Schürelemente bei Variation lediglich eines
Parameters (Hublänge bzw. Hubgeschwindigkeit). Als Referenz ist mit Schürmodus S0, dass bei
den Verbrennungsversuchen zu Abbildung 20 bis Abbildung 21 verwendete Bewegungsmuster
mit variierender Relativstellung der Schürelemente abgebildet. Es zeigt sich, dass sowohl die
Hublänge (vgl. S3 vs. Rest) als auch die Hubgeschwindigkeit (vgl. S1 vs. S2) die Durchmischung
signifikant beeinflussen, wobei der Einfluss der Hublänge dominiert. Bei Variation der
Relativbewegung der Elemente zueinander zeigt sich zudem die maximale Mischungsintensität
trotz geringer Hubgeschwindigkeiten (vgl. S1 vs. S0).
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0 200 400
M(t
) [-
]
Zeit [s]
a
Zylinder
Kugeln
Würfel
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 100 200
M_(t
)[-]
Zeit[s]
b
S1
S0
S2
S3
Seite 34 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 28: Massenabnahme unter variierenden Schürintensitäten
Abbildung 28 zeigt die Massenabnahme und deren Gradienten bei den in Abbildung 27b
definierten Schürintensitäten. Dabei zeigt sich zunächst eine Steigerung der Feststoffkonversion
bei intensiverer Mischung der Schüttung. Allerdings führt die maximale Mischungsintensität (S0)
nicht zur maximalen Massenabnahmerate. Es scheint ein empfindliches Optimum der maximalen
Massenabnahme zwischen den konvektiven Wärmeströmen, der Strahlungswärme und der
Mischungsintensität vorzuliegen.
Thermographie Experimente
Zur weiteren Analyse der beobachteten Effekte wurden zusätzliche Experimente mit einem
Thermographiesystem durchgeführt. Auf Grund des erfassbaren Wellenlängenbereichs der
Thermokamera muss prinzipiell eine Saphirglasscheibe zwischen Brennraum und Kamera
eingesetzt werden. Allerdings zeigten Experimente mit installiertem Quarzglas zwar weniger
intensive aber qualitativ übereinstimmende Ergebnisse. Aufgrund der hohen thermischen und
mechanischen Belastung bei Versuchen mit geschürter Verbrennung sind Gläser mit einer
deutlich höheren Materialstärke notwendig. Da die installierte Quarzglasscheibe um ein
vielfaches preisgünstiger als Saphirglasscheiben in vergleichbarer Materialstärke war, wurden
Experimente zum Vergleich der Messgenauigkeit zwischen Saphir und Quarzglas bei
Thermographiemessungen durchgeführt. Damit konnte die Anwendbarkeit von Quarzglas
Sichtscheiben in dem vorliegenden Anwendungsfall untersucht werden.
Abbildung 29: IR-Messung der Betttemperaturen mit Saphirglas(links) und Quarzglas (rechts)
Seite 35 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 29 zeigt die Oberflächentemperaturen aus den Thermographiemessungen mit Saphir-
und Quarzglas in der Verbrennungsphase einer Pelletschüttung unter ansonsten gleichen
Bedingungen. Die Messungen mit Quarzglas zeigen die Oberflächentemperaturen insgesamt auf
einem geringeren Temperaturniveau und mit einer niedrigeren Auflösung der
Temperatugradienten.
Abbildung 30: mittelere-, min- , max - Bettoberflächentemperatur aus IR-Messungen mit Saphir- und Quarzglas
Abbildung 30 zeigt die gemittelten, minimalen und maximalen Bettoberflächentemperaturen
während der oben beschriebenen Versuche mit Saphirglas (durchgezogene Linien) und
Quarzglas (gestrichelte Linien). Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung der qualitativen
Verläufe in den einzelnen Phasen der Feststoffkonversion. Damit kann, nach entsprechender
Kalibrierung, die weitere Temperaturmessung mit Quarzglassichtfenstern erfolgen. Da die
unterschiedlichen Effekte zwischen verschiedenen Partikelformen deutlicher bei hoher
Primärluftzufuhr auftreten, wurden die Oberflächentemperaturen für jeweils geschürte und
ungeschürte Versuche für Würfel und Kugel mit gleichem Oberflächen zu Volumenverhältnis bei
70% Primärluftzufuhr im Detail untersucht.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 100 200 300 400 500 600 700
T[°
C]
Zeit[s]
C1-SaphirC1_Max-SaphirC1_Min-SaphirC1-QuarzC1_Max-QuarzC1_Min-Quarz
Seite 36 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Kugeln Würfel
Pre-Ignition T [400-700 °C]
ungeschürt
geschürt
Combustion [700-1200°C]
ungeschürt
geschürt
Abbildung 31: Thermographiemessungen in den Konversionsstadien für Kugeln und Würfel bei 70% Primärluft
Seite 37 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 31 zeigt die Verteilung der Oberflächentemperatur an der Oberseite der Schüttung
jeweils gegen Ende der Aufheizphase (kurz vor der Zündung) und zum Zeitpunkt maximaler
Betttemperatur für Kugeln und würfelförmige Partikel in den jeweils passenden
Temperaturskalen.
In der Aufheizphase lässt sich für Kugeln im ungeschürten Fall eine höhere Spitzentemperatur
und eine größere Gesamtfläche heißer Partikeloberfläche feststellen. Für beide Partikelformen
lässt sich die Haupterwärmungszone in der Mitte der Partikelschüttung lokalisieren. Im
ungeschürten Fall ist dies für Kugeln ebenfalls der Fall. Allerdings fallen die Spitzentemperaturen
deutlich geringer aus. Bei würfelförmiger Geometrie sind im geschürten Betrieb generell weniger
heiße Partikel an der Bettoberfläche zu finden. Im Gegensatz zu Kugeln werden hier allerdings
vergleichbare Werte der Spitzentemperaturen erreicht. Diese können im Gegensatz zum
ungeschürten Fall am Rand des Brenntellers lokalisiert werden. Demnach erreichen von der
Kugelform abweichende Partikel in Wandnähe die höchsten Temperaturen, da aufgrund der
Wandreibung eine Drehung um die eigene Achse und damit die intensivere Kühlung der heißen
Partikeloberfläche bei erhöhter Primärluftmenge verhindert wird.
In der Phase stationärer Verbrennung ist für den ungeschürten Betrieb zunächst eine etwas
erhöhte Betttemperatur bei kugelförmigen Partikeln zu beobachten. Im geschürten Fall ist die
gemessene Temperatur bei würfelförmigen Partikeln deutlich erhöht. Dies kann allerdings auch
an Messungenauigkeiten durch starke Rußbildung bei geschürten Versuchen mit Kugeln liegen.
Aufgrund der späten Zündung, sammeln sich große Mengen an Pyrolysegasen im Reaktor,
welche zu zeitweilig unterstöchiometrischen Bedingungen kurz nach der Zündung führen können.
Grundsätzlich lässt sich für den geschürten Betrieb, im Gegensatz zum ungeschürten Betrieb,
eine Auswirkung der Form der Partikel erkennen. Dies kann auf die, infolge der Schürung
durchbrochene Ascheschicht an der Bettoberfläche zurückgeführt werden. Damit werden im
geschürten Fall stetig unverbrannte Partikel der vollen Strahlungsleistung der Flamme
ausgesetzt, was insgesamt zu einer höheren Freisetzungsrate an Pyrolysegasen, höherer
Temperatur im Reaktor und letztlich zu intensiverer Feststoffkonversion führt.
Seite 38 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 32:IR-Messung der gemittelten Bettoberflächentemperatur für Würfel
Abbildung 32 zeigt die gemittelten Partikeloberflächentemperaturen (rot) und deren maximale
Differenz (grün) an der Schüttungsoberseite für den geschürten (durchgezogene Linie) und
ungeschürten (gestrichelte Linie) Verbrennungsversuch mit Würfeln. Bezogen auf die mittlere
Betttemperatur lässt sich für den ungeschürten Fall das Temperaturmaximum unmittelbar nach
der Zündung feststellen. Für den geschürten Versuch ist dieser etwa in der Mitte des
Verbrennungsprozesses gemessen worden. Weiterhin ist im ungeschürten Fall die maximale
Differenz der Oberflächentemperaturen an der obersten Partikelschicht gering. Damit kann von
einer homogeneren Temperaturverteilung infolge der Schürung ausgegangen werden.
Einfluss der Schürung auf die Abgaszusammensetzung
Im Folgenden wird noch der Einfluss der Schürung auf die zeitliche Entwicklung der Stöchiometrie
diskutiert.
Die zugeführte Globalluftmenge wurde in allen Experimenten konstant auf 17 g/s gesetzt um
integral überstöchiometrische Bedingungen und damit jederzeit einen vollständigen Abbrand der
Reaktionsprodukte sicherzustellen. Aufgrund des Einflusses der Schürung auf den
Verbrennungsprozess und die Entgasungsvorgänge im Brennbett, ergeben sich unterschiedliche
Zeitverläufe der Luftzahl λ(t) die im Folgenden betrachtet und ausgewertet werden.
Bei Biomasseverbrennung mit erwartetem und messbarem Ausstoß von CO kann die Luftzahl
gemäß Gleichung 1 berechnet werden:
𝜆(𝑡) = 1 +𝑉𝑡𝑟
𝐿𝑚𝑖𝑛
𝑂2(𝑡) − 0.5 𝐶𝑂(𝑡)
0.21 − 𝑂2(𝑡) + 0.5 𝐶𝑂(𝑡) Gl(1)
0
200
400
600
800
1000
1200
0 100 200 300 400 500
T°[C]
Zeit [s]
T ungeschürt
T geschürt
DT_MaxungeschürtDT_Max-geschürt
Seite 39 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Der temporäre Volumenanteil von O2 und CO (bezogen auf das trockene Abgas) stammt aus der
Rauchgasanalyse. Die theoretische Menge benötigter Luft 𝐿𝑚𝑖𝑛 und das trockene Abgasvolumen
𝑉𝑡𝑟 bei stöchiometrischer Verbrennung ergibt sich aus den Daten der Laboranalyse gemäß
Tabelle 3. Tabelle 3: Stöchiometrische Größen
𝐿𝑚𝑖𝑛 𝑉𝑡𝑟
[kg𝐿𝑢𝑓𝑡
kgBr] [
kg𝐴𝑏𝑔𝑎𝑠,𝑡𝑟
kgBr]
4.02 4.6
5.49 6.05
5.65 6.16
Abbildung 33 - Abbildung 35 zeigt den zeitlichen Verlauf der Luftzahlen nach Einsatz der Reaktion
der Pyrolysegase über dem Bett für Kugeln, Zylinder und Würfel im geschürten(gestrichelte Linie)
und ungeschürten Fall(durchgezogene Linie) unter variierenden Luftstufungen. Für ungeschürte
Verbrennung lässt sich zunächst folgender grundsätzlicher Verlauf der Luftzahl erkennen. Nach
erfolgter Zündung sinkt die Luftzahl aufgrund des Sauerstoffverbrauchs schlagartig ab.
Anschließend erfolgen ein kurzer Anstieg der Luftzahl und ein linearer Verlauf bis zum Ende der
Verbrennung. Der starke Gradient nach Zündung der Gasphase kann auf die Ansammlung an
Pyrolysegasen im Reaktionsraum zurückgeführt werden. Der folgende kurzfristige Anstieg
resultiert aus dem Übergang in den quasi-stationären Verbrennungsprozess, in dem die
Temperaturfront, ursächlich für die Freisetzung der Pyrolysegase, mit annähernd konstanter
Geschwindigkeit Schicht für Schicht durch das Bett wandert und oberhalb dieser eine
Akkumulation der Kokspartikel einen zusätzlichen Verbrauch des Sauerstoffes und damit eine
Abnahme der Luftzahl verursachen. Im Kontrast dazu zeigen die Kurvenverläufe der geschürten
Verbrennungsversuche eine gänzlich andere Struktur. Zunächst ist kein kurzfristiger Anstieg der
Luftzahl nach dem starken Abfall dieser nach erfolgter Gasphasenzündung zu erkennen.
Demnach findet kein Übergang in den quasi-stationären Verbrennungsprozess statt. Es existiert
keine Temperaturfront und demnach auch keine akkumulierte Koksschicht darüber. Weiterhin ist
ein eher parabolischer denn ein linearer Verlauf der Luftzahl während der Verbrennung zu
erkennen. Diese Ergebnisse bestätigen die Annahmen aus der Analyse der
Massenabnahmeraten: Im ungeschürten Fall findet ein schichtweiser Abbrand der Partikel statt.
Die Partikel der unterschiedlichen Phasen der thermochemischen Konversion sind vertikal
entgegen der Strömungsrichtung in Schichten verteilt. Bei geschürter Verbrennung findet ein
homogenere Aufheizung der Schüttung und damit eine gleichmäßigere Verteilung der
Konversionsstadien in der Schüttung statt. Aus diesem Grund stellt sich die minimale Luftzahl zu
dem Zeitpunkt ein, zu dem sich eine maximale Anzahl von Partikeln gleichzeitig in der
Pyrolysephase befindet.
Diese Beobachtungen lassen sich zunächst unabhängig der Partikelform feststellen. Lediglich die
Ausprägung der Effekte ist umso geringer, je größer die Abweichung der von der Kugelform ist.
Zudem sind folgende Effekte für die kugelförmige Partikel mit der höchsten Beweglichkeit
innerhalb der Schüttung zu erkennen:
Bei Variation der Luftstufungen fällt auf, dass die Luftzahl im ungeschürten Fall umso geringer
ist, je weniger Primärluft im Bett vorhanden ist. Dies kann durch intensivere konvektive Kühlung
im Bett durch mehr Primärluft verursacht sein. Im geschürten Fall resultieren aus kleineren
Primärluftmengen größere Luftzahlen. Aufgrund der größeren Menge an Sauerstoff in der
Schüttung erfolgt ein intensiverer lokaler Abbrand der Partikel. Die konvektive Kühlung durch
erhöhte Primärluftzufuhr kann hier im Gegensatz zur ungeschürten Verbrennung vernachlässigt
Seite 40 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
werden, da durch Umwälzung eine große Anzahl an Partikeln Strahlungswärme aus dem
Brennraum erhält, welche die konvektive Wärmeabfuhr kompensiert.
Abbildung 33: Luftzahl nach Zündung der Gasphase für Experimente mit Kugeln
Abbildung 34: Luftzahl nach Zündung der Gasphase für Experimente mit Zylindern
Seite 41 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 35: Luftzahl nach Zündung der Gasphase für Experimente mit Würfeln
Seite 42 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Laboruntersuchungen zur Partikelzusammensetzung in den Phasen der Verbrennung
Anhand der Ergebnisse aus den Masseverlustmessungen kann geschlossen werden, dass im
ungeschürten Fall der Partikelabbrand schichtweise von oben nach unten erfolgt, während bei
geschürter Verbrennung eine homogene Verteilung der Konversionsstadien im Bett realisiert
wird.
Zur Überprüfung dieser Annahme und zur Quantifizierung des „Homogenisierungsgrades“ und
dessen zeitlicher Entwicklung wurden Versuche mit Abbruch des Konversionsprozesses zu den
nach Abbildung 19 definierten Phasen der Verbrennung durchgeführt. Dazu wurde der
Brennteller gemäß Abbildung 36 konstruktiv erweitert.
Abbildung 36: Schematische Darstellung des Stickstoffzugangs für gequenchte Versuche
Am Trägerrohr des Probenhalters wurden drei Stickstoffzugänge im 120°Winkel installiert.
Dadurch wird eine gleichmäßige Durchströmung des Rohres mit Stickstoff sichergestellt Die
Zugänge sind über 6 mm PVC-Schläuche und einen Schlauchverteiler angeschlossen.
Erste Versuche zur Quenchung der Verbrennungsreaktion im geschürten (S0) und ungeschürten
Betrieb wurden bei einer Luftstufung mit 30% Primärluftanteil durchgeführt. Die Versuche wurden
analog zu den vorher beschriebenen Experimenten durchgeführt. Unmittelbar nach Zündung
(Ende Aufheizung /Start-stationäre Verbrennung) bzw. nach Erlöschen der sichtbaren Flamme
(Ende stationäre Verbrennung/Start Ausbrand) wurde diese schlagartig mit kaltem Stickstoff
gespült, um die Reaktion abzubrechen.
Die Schürmotoren wurden anschließend auch bei ungeschürten Versuchen angeschaltet, damit
der Stickstoff alle Partikeloberflächen zum Abbruch der Oberflächenreaktion erreicht. Der
Probenhalter wurde aus dem Reaktor gefahren und unter kontinuierlicher Stickstoffzufuhr
abgekühlt. Anschließend wurden die Brennstoffproben in luftdichte Gefäße gefüllt und
anschließend im Labor ausgewertet.
Für die Laboranalysen wurden für jeden Versuch jeweils 10 Partikel des Probenmaterials zufällig
ausgewählt und für eine eindeutige Zuordnung der Laborergebnisse zu den individuellen
Partikeln in einzelne Probengläser gefüllt.
Seite 43 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
geschürt ungeschürt
Abbruch zu
Beginn der
stationären
Verbrennung
Abbruch zu
Beginn des
Ausbrand
Abbildung 37: Exemplarische Partikel nach Abbruch der Reaktion
Abbildung 37 zeigt exemplarische Partikel nach Abbruch der Reaktion zu den definierten
Zeitpunkten im geschürt und ungeschürten Betriebsmodus. Während die ursprüngliche
Partikelform bei ungeschürter Verbrennung mit zunehmender Dauer des
Verbrennungsprozesses stark verändert wird, bleibt die Körpergemetrie im geschürten Fall
nahezu erhalten. Zu Beginn der stationären Verbrennungsphase zeigt sich eine deutliche
Koksschicht auf der Oberseite und noch nahezu rohes Material auf der Unterseite des Partikels.
Im geschürten Fall zeigt sich eine gleichmäßige Verfärbung des Partikels. Dies ist auf die Rotation
des Partikels und einer infolgedessen homogeneren Freisetzung der Pyrolysegase bei geschürter
Verbrennung zurückzuführen. Für den Partikelzustand zu Beginn der Ausbrandphase lassen sich
bezüglich der Partikelgeometrie vergleichbare Aussagen treffen, wobei bei geschürter
Verbrennung die Kugel sich mehr zu einer elliptischen Form verändert.
Die beobachteten Effekte treten also in zwei verschiedenen Bezugssystemen im Zusammenhang
mit Schürung auf. Zum einen werden die Partikel um Ihren eigenen Schwerpunkt rotiert und es
ergibt sich eine homogenere Verteilung der Konversionsstadien innerhalb eines Partikels. Zum
anderen ändert sich die Verteilung der Konversionsstadien in der gesamten Schüttung durch
Umwälzung ganzer Partikelschichten im Bett.
Im Folgenden werden die Laborergebnisse für die ausgewählten Partikel je Quenchzeitpunkt und
Betriebsmodus diskutiert, um zusätzliche Informationen über die Verteilung der
Konversionsstadien innerhalb der Schüttung zu erhalten.
Seite 44 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 38: Verteilung des Masseverlustes in den einzelnen Phasen der Verbrennung
Abbildung 38 zeigt den kumulierten prozentualen Masseverlust der Schüttung in den
Verbrennungsphasen für den geschürten und ungeschürten Betrieb. Bei geschürter Verbrennung
zeigt sich ein erhöhter Masseverlust vor der Zündung. Gleichzeitig ist ein geringerer Masseverlust
in der Ausbrandphase bei vergleichbarem Massenverlust während der Verbrennungsphase zu
erkennen.
Abbildung 39: Verteilung der Zusammensetzung des Feststoffen in der Schüttung
In Abbildung 39 sind die Zusammensetzungen des Feststoffes in der gesamten Schüttung zu den
Phasen der Verbrennung dargestellt. Die Daten zu Beginn der Aufheizphase stellen die
Zusammensetzung der vollständig aus rohem Material gemäß Tabelle 1 bestehenden Schüttung
0
20
40
60
80
100
ungeschürt geschürt
Ausbrand
stat. Verbrennung
Aufheizphase
0
0.25
0.5
0.75
1
Wassergehalt
Flüchtigengehalt
Koks
Seite 45 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
dar. Zu Beginn der stationären Verbrennung zeigt sich ein deutlich geringerer Wassergehalt der
Partikel in der Schüttung. Dies bestätigt die These eines homogener verteilten
Konversionsprozesses im Bett. Weiterhin zeigt sich ein erhöhter Anteil an Flüchtigen und Wasser
in Partikeln des ungeschürten Experimentes in der Ausbrandphase. Dies kann auf eine den
Wärmetransport hindernde Ascheschicht an der Bettoberfläche zurückgeführt werden.
5.8 Simulation geschürter Verbrennung
Abbildung 40: gekoppeltes DEM/CFD-Simulationskonzept
Abbildung 40 zeigt das Schema des in diesem Projekt verwendeten Simulationskonzeptes. Dies
setzt sich aus einer 3D-CFD Simulation der Strömung und Umwandlung gasförmiger Bestandteile
und einer Simulation der Feststoffphase mittels Diskrete Elemente Methode zusammen. Das
initiale Strömungsfeld mit den zugehörigen Temperaturprofilen und Speziesverteilungen wird an
die DEM-Simulation übergeben und den individuellen Partikeln zugeordnet. Anschließend folgen
die DEM-Berechnungen inklusive der mechanischen Interaktion der Körper, des
Wärmetransportes im Partikel und über die Grenzflächen sowie die thermochemische Konversion
des Feststoffes. Die dabei partikelscharf berechneten Größen werden wiederum als Quellterme
für Masse, Impuls, Spezies und Energie an das 3D-CFD Modell übergeben Dabei wird der
Druckverlust infolge der Partikel Fluid-Interaktion vereinfacht über den Porositätsansatz nach [2]
modelliert. Die Berechnung der Gasphasenreaktion erfolgt über das Eddy-Dissipation Model.
Dabei werden die Pyrolysegase vereinfachend als Mischung aus Methan und Kohlenmonoxid
angenommen. Das Produkt aus der heterogenen Restkoksverbrennung wird auf CO
reduziert(vgl. Anhang A). Im Anschluss an die CFD Simulationen werden die Quellterme erneut
an die DEM-Simulation übergeben. Dieses Interaktionsschema wird während der gesamten
Simulationszeit zu definierten Intervallen ausgeführt wobei eine Synchronität der jeweiligen
Einzelsimulationen sichergestellt ist. Zur Untersuchung der schüttungsinternen Mechanismen bei
geschürter Verbrennung wurden gekoppelte DEM/CFD Simulationen der Verbrennungsversuche
Seite 46 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
mit 30% Primärluftstufung für den geschürten und ungeschürten Fall durchgeführt. Aufgrund der
wie in 5.3 zu erkennenden Überschätzung der Strahlungsenergieströme aus dem Brennraum,
wurde zusätzlich die Sensitivität der Simulation auf die berechneten Strahlungsflüsse überprüft.
Dazu wurden jeweils Vergleichssimulationen mit um einen Faktor 0,9 gedämpften
Strahlungsquellterm durchgeführt.
Abbildung 41: Relative Massenabnahme des Experimentes und der Simulation A(100% Strahlung), B(90% Strahlung)
Abbildung 41 zeigt die Massenabnahme der Partikelschüttung im geschürten (gestrichelte Linie)
und ungeschürten Fall (durchgezogene Linie) für das Experiment (blau) sowie die Simulationen
mit (rot, Sim_B) und ohne gedämpften Strahlungsquellterm (grün, Sim_A). Grundsätzlich setzt
die Zündung der Gasphase bei den Simulationen zu früh ein. Dies kann auf das vereinfachte
Modell der Gasphasenverbrennung zurückgeführt werden. Aufgrund der unbekannten
Pyrolysegaszusammensetzung können keine Zündgrenzen definiert werden. Neben den
Zündgrenzen der Gasphase ist zudem die Freisetzungsrate der Pyrolysegase und damit die
Aufheizrate der Schüttung entscheidend für die Zündung die Zündung der Gasphase. Aus diesem
Grund ist ein deutlicher Unterschied zwischen den Simulationsergebnissen mit und ohne
gedämpfte Strahlungsquellterme zu erkennen. Während die Zündung der Flüchtigen in der
Gasphase bei der Simulation geschürter Verbrennung ohne Dämpfung der Quellterme relativ
kurz nach der Zündung bei ungeschürten Verbrennung eintritt, ist eine zu den Experimenten
vergleichbare Differenz der Verzögerung der Zündung in der Gasphase durch Schürung
erkennbar.
Die Simulation bildet die Kerneffekte im Zusammenhang mit geschürter Verbrennung demnach
qualitativ ab:
Verzögerte Zündung der Gasphase durch Schürung
Größerer Gradient der Verbrennungsphase im geschürten Betriebsmodus
0
0.5
1
0 200 400 600
m/m0[-]
Zeit [s]
ungeschürt-Expungeschürt - Sim_Aungeschürt - Sim_Bgeschürt-Expgeschürt-Sim_Ageschürt - Sim_B
Seite 47 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Allerdings lassen sich deutliche Unterschiede in der Ausprägung der Effekte in Abhängigkeit der
Strahlungsdämpfung erkennen.
Abbildung 42: Gradienten der Massenabnahme in der stat. Verbrennung
Abbildung 42 zeigt die Gradienten der Massenabnahme bei der stationären Verbrennung für die
Simulationen A und B sowie für die Experimente. Während die relative Massenabnahmerate in
den Experimenten für den geschürten Fall bei ca. 0.006 1/s und den ungeschürten Fall etwa 50%
darunter liegt, zeigt sich lediglich ein geringer Unterschied in den Simulationen. Grundsätzlich
zeigt sich in den Simulationen eine Schwingung des Gradienten im ungeschürten Fall. Dies kann
auf den Transport verbrannter und geschrumpfter Partikel in die Schüttung und die daraus
resultierende Freilegung unreagierter Partikel an der Bettoberfläche zurückgeführt werden.
Aufgrund des gemittelten Messsignals der Waage liegt dieser Effekt unterhalb der Auflösung und
kann dementsprechend in den Experimenten nicht beobachtet werden. Ein Vergleich der
Simulationen A und B zeigt die hohe Sensitivität des Simulationsansatzes auf die
Strahlungswärme aus dem Brennraum. Bei gedämpfter Strahlung aus dem Brennraum ist auch
eine kleinere Amplitude des Massenabnahmegradienten im geschürten Fall zu erkennen.
Allerdings ist auch die Differenz zum ungeschürten Fall deutlich geringer. Während der
Massenabnahmegradient im ungeschürten Fall überschätzt wird, zeigte sich eine gute Näherung
der geschürten Verbrennung durch die Simulation.
Zur weiteren Anlayse der Simulationsergebnisse werden im Folgenden die Daten der Gasphase
aus den CFD-Simulationen mit dem in Abbildung 43 dargestellten Rechengitter, jeweils mit und
ohne gedämpften Strahlungsquelltermen betrachtet und mit den Experimenten verglichen.
Abbildung 43: CFD-Gitter des Versuchsstandes
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0 250 500
dm
/(m
0∙d
t) [1
/s]
Zeit[s]
Seite 48 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 44: Massenanteil der Spezies aus den Simulationen A(100% Strahlung) und B (90% Strahlung) und den
Experimenten
500
1000
1500
2000
0 50 100 150
T[K]
Zeit[s]
Brennraum_Temperatur
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0 50 100 150
[-]
Zeit [s]
H2O
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0 50 100 150
[-]
Zeit [s]
O2
0.00
0.04
0.08
0 50 100 150
[-]
Zeit [s]
CxHy
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0 50 100 150
[-]
Zeit [s]
CO2
0.00
0.04
0.08
0.12
0 50 100 150
[-]
Zeit [s]
CO
Seite 49 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 44 zeigt die über den Querschnnitt am Auslass des Rechengebietes gemittelten Daten
der Gasphase während der Verbrennungsphase. Die Temperaturen im Gasraum werden in den
Simulationen um etwa 600 K deutlich überschätzt. Dies liegt an dem vereinfachten
Reaktionsmodell in Ansys Fluent sowie die vereinfachten Annahmen der
Pyrolysegaszusammensetzung. Allerdings wird dieser Effekt bereits über die Kalibrierung der
Freisetzungsraten im Einzelpartikelmodell aus 5.6 kompensiert. Für den Wasserdampfgehalt im
Brennraum sind nur die Simulationsdaten verfügbar, da eine Feuchtemessung in der
Versuchsanlage im Rahmen der Mittel in diesem Projekt nicht umgesetzt werden konnte.
Insgesamt werden die berechneten Speziesanteile an CO2 und CO im Abgas deutlich
überschätzt und die berechneten Anteile an O2 unterschätzt, d. h. die Umwandlung erfolgt
letztlich zu schnell. Die Gehalte unverbrannter Kohlenwasserstoffe aus den Simulationen
befinden sich dagegen in der Größenordnung der experimentellen Daten. Diese zunächst
widersprüchlich erscheinenden Ergebnisse resultieren aus den getroffenen Vereinfachungen
bzgl. der Pyrolysegaszusammensetzung aufgrund der fehlenden Kenntniss der zeitlichen
Entwicklung der Zusammensetzung des teilreagierten Feststoffs.
Aus diesem Grund werden im nächsten Schritt die Profile der Temperaturen und Spezies im
Brennraum für die einzelnen Simulationsfälle jeweils zu den Zeitpunkten kurz vor der Zündung
der Gasphase, während der stationären Gasphasenverbrennung (jeweils 60 s nach Zündung)
und zu Beginn des Ausbrandes dargestellt und analysiert.
Seite 50 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Zündung ungeschürt
t=50 s
geschürt
t=60 s
ungeschürt
t=110 s
geschürt
t=230 s
Sim_A Sim_B
T[K] H2O[-]
CH4 O2[-]
CO CO2[-]
Abbildung 45: Temperatur- und Speziesprofile (Massenanteil) der Simulationen unmittelbar vor der Zündung
Seite 51 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Verbrennung ungeschürt
t=110 s
geschürt
t=120 s
ungeschürt
t=170 s
geschürt
t=290 s
Sim_A Sim_B
T[K] H2O[-]
CH4 O2 [-]
CO CO2[-]
Abbildung 46: Temperatur- und Speziesprofile (Massenanteil) der Simulationen während der Verbrennung (60 s nach
der Zündung)
Seite 52 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Ausbrand ungeschürt
t=200 s
geschürt
t=220
ungeschürt
t=270s
geschürt
t=380 s
Sim_A Sim_B
T[K] H2O [-]
CH4 O2 [-]
CO CO2 [-]
Abbildung 47:Temperatur- und Speziesprofile (Massenanteil) der Simulationen unmittelbar nach Beginn des Ausbrandes
Seite 53 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 45 zeigt die Temperatur- und Speziesprofile unmittelbar vor Zündung der Gasphase.
Für den geschürten Fall lassen sich zunächst nur geringe Unterschiede zwischen den
Simulationen mit gedämpften (Sim_B) und ungedämpften Strahlungsquelltermen (Sim_A)
erkennen. Im ungeschürten Fall zeichnen sich hingegen deutliche Unterschiede ab. Bei den
Simulationen mit geringerer Strahlungsenergie scheint ein gedämpfter Übergang mit Teilreaktion
in der Gasphase und lokal erhöhten H2O, CO und CO2 Speziesanteilen stattzufinden. Dies
spiegelt sich auch im Übergang von der Aufheiz- in die stationäre Verbrennungsphase gemäß
Abbildung 41 wieder.
Ein Vergleich der Simulationen geschürter und ungeschürter Verbrennung zeigt die Kerneffekte,
die aus den Thermographie-Experimenten (Abbildung 31) und Laboranalysen zu gequenchten
Versuchen (Abbildung 36 - Abbildung 39) hervorgegangen sind. Aufgrund der starren Position
der Partikel erfolgt ein kontinuierlicher Aufheizprozess durch große Strahlungswärmeflüsse aus
dem Brennraum und geringer konvektiver Wärmeabfuhr durch Primärluft an der entgegen der
Strömungsrichtung orientierten Partikeloberfläche. Dies führt zu lokal hohen
Spitzentemperaturten und temporär hohen Freisetzungsraten von CO, CxHy und H2O.
In der stationären Verbrennungsphase entsteht nach Abbildung 46 eine sauerstoffarme und
CxHy-reiche Gassträhne in der Mitte des Reaktors von der Oberkante des Brenntellers bis zum
Austritt aus dem Brennraum (A,B geschürt und ungeschürt). Dies resultiert aus der für
überströchiometrische Verbrennung notwendigen Sekundärluftmassen oberhalb und seitlich der
Brenntellerschale. Die in die Gasphase transferierten Pyrolysegase sowie die heiße Oberfläche
der Restkokspartikel reagieren im Bett bereits teilweise ab und führen zu lokal
unterstöchiometrischen Bedinngungen. Nach Austritt aus der Brenntellerschale reagieren die
unverbrannten Pyrolysegase am äußeren Rand des Reaktors mit dem Sauerstoff aus der
Sekundärluftzugabe. Mit dem verwendeten Modellkonzept kann die Vermischung der
Pyrolysegase mit dem Oxidator aus der Sekundärquelle nicht hinreichend genau abgebildet
werden. Deshalb bilden sich lediglich marginale Unterschiede zwischen geschürter und
ungeschürter Verbrennung trotz erhöhter Massenabnahmerate in den Gasphasenprofilen aus.
Zu Beginn der Ausbrandphase zeigen nach Abbildung 47 die nach den Experimenten zu
erwartenden Profile der Spezies und Temperaturverteilung, wobei in den Simulationsfällen
(geschürt, ungeschürt, Sim_A und Sim_B) lediglich geringe Unterschiede zu erkennen sind.
Sinkende Freisetzungsraten der Pyrolysegase führen zum Verlöschen der Flamme. Die
verbliebenen Kokspartikel reagieren heterogen mit dem Sauerstoff an der Partikeloberfläche zu
CO. Es zeigt sich ein lokal erhöhtes CO-Profil in Bettnähe mit Weiterreaktion zu CO2 und
Mischung mit der Sekundärluft, was zu einem sehr geringen Anteil an CO am Austritt führt.
Zusammenfassend können folgende Merkmale der Simulationsmethodik identifiziert werden:
Mit dem implementierten Wärmeübertragungsmodell lassen sich die Wechselwirkung
zwischen mechanischer Bewegung, Konvektion und Strahlung, und Konversion des
Feststoffes qualitativ gut abbilden. Die rechenzeitoptimierte Berechnung der
Strahlungsquellterme führt allerdings zu einer quantitativen Überschätzung der Frei-
setzung von Flüchtigen im Aufheizprozess und letztlich zu einer verfrühten Zündung.
Seite 54 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Die Unterschiede in der Massenabnahme durch Schürung resultieren vor allem aus dem
dynamischen Wechsel der Sichtverhältnisse in der Schüttung und des daraus
resultierenden erhöhten Netto-Strahlungswärmeflusses auf die Partikel.
Rückkopplungseffekte aus höherer Temperatur durch mehr Reaktionsprodukte im
Brennraum durch Schürung kann mit dem Verbrennungs-/Turbulenzmodell nicht
vollständig abgebildet werden.
Die Unterschiede in den Massenabnahmeraten zwischen geschürter und ungeschürter
Verbrennung fallen somit geringer aus als in den Experimenten.
Massenabnahme und Gasprofil sind bei ungeschürter Verbrennung mit gedämpften und
ungedämpften Strahlungsquelletermen sehr ähnlich.
Die unbekannte Zusammensetzung der Pyrolysegase sowie die starken Vereinfachungen
des Verbrennungsmodells führen zu einer falschen Berechnung der Abgasspezies
Seite 55 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
ungeschürt geschürt
Abbildung 48: Visualisierte Ergebnisse der Simulationen
Abbildung 48 zeigt exemplarisch die Simulationsergebnisse 70 Sekunden nach Zündung der
Pyrolyseprodukte in der Gasphase für ungeschürte (links) und geschürte Verbrennung(rechts).
Dargestellt sind jeweils die Oberflächentemperaturen (A), der Massenanteil Wasser (B), die
aktuelle Freisetzungsrate der Pyrolysegase (C) sowie der Restkoksgehalt im Partikel (D). In A ist
A
B
C
D
Seite 56 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
die Wirkung der Schürung auf die Temperaturverteilung im Querschnitt des Partikelbettes zu
erkennen. Demnach bildet sich im ungeschürten Fall eine heiße Partikelschicht an der obersten
Zone der Schüttung aus. Im geschürten Fall ist die Temperatur deutlich homogener verteilt und
in der Spitze niedriger. Das Bewegungsmuster (S0 vgl. Tabelle 2) spiegelt sich auch in der
Temperaturverteilung wieder. Während Partikel der untersten Schicht im mittleren unbewegten
Ring kalt bleiben. Sind die bewegten Partikel der unteren Schichten auf höherem
Temperaturniveau. B zeigt die Verteilung der getrockneten Partikel in der Schüttung in einer um
-45° um die y Achse rotierten Querschnittsansicht. Während alle Partikel der untersten Schicht
im ungeschürten Fall noch einen hohen Wassergehalt aufweisen, zeigt sich eine deutlich
fortgeschrittene Trocknung im geschürten Betrieb. Partikel an den beweglichen Elementen sind
vollständig getrocknet. Partikel im unbewegten mittleren Ring haben noch einen geringen
Wassergehalt. Die Freisetzungsrate der Pyrolysegase zum betrachteten Zeitpunkt ist in
Abbildung 48C dargestellt. Auch hier zeigt sich der Einfluss der Schürung anhand der
pyrolysierenden Partikelschichten. Lediglich die oberste Schicht setzt Pyrolysegase frei, während
sich im geschürten Fall die Tellerbewegung in der Verteilung der pyrolysierenden Partikel
wiederspiegelt. D zeigt die Verteilung des Restkokses der Partikel in einer um 45° um die Y-
Achse gedrehten Querschnittsansicht. Im geschürten Fall sind Restkoksmengen in den Partikeln
an der obersten Schicht größer als im ungeschürten Fall. Allerdings scheinen hier eine größere
Anzahl an Partikeln bereits Kohlenstoff heterogen abgebaut zu haben. Weiterhin werden
geschrumpfte Partikel durch die Schürbewegung nach unten durch die Schütttung transportiert,
während diese im ungeschürten Fall an der obersten Schicht verharren und u.U Strahlungsfluss
aus dem Brennraum an die rohen Partikel verhindern.
Die aus den Simulationen hervorgehenden Effekte decken sich mit der Auswertung der
experimentellen Ergebnisse der gequenchten Versuche und den Messungen der
Massenabnahmeraten.
Seite 57 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
5.9 Simulation einer Rostfeuerung
Um die Anwendbarkeit des eingesetzten Simulationstools auf reale Anlagen zu erproben und zu
demonstrieren, wurden Simulationen der industrienahen Vorschub-Rostfeuerung TAMARA des
Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durchgeführt, da hierzu eine Reihe experimenteller
Daten zur Überprüfung des Modells verfügbar sind.
Abbildung 49: Schematische Darstellung der industrienahen Anlage TAMARA (KIT) [3]
Abbildung 49 zeigt eine Skizze der industrienahen Versuchsanlage TAMARA des Karlsruher
Instituts für Technologie. Aufgrund der von Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses
zur Verfügung gestellten Mess- und Betriebsdaten, eignet sich diese Anlage besonders zur
Überprüfung des Simulationskonzeptes sowie dessen exemplarische Anwendung. Die
eingezeichneten Messstellen bestimmen zum einen die Konzentrationen einzelner Spezies und
Temperaturen im Brennbett sowie im Feuerraum.
Da die in den Versuchen verwendeten Holzhackschnitzel mit den derzeitig implementierten
Modellen nur mit sehr hohem Rechenaufwand berechenbar wären, werden diese als feste
Objekte innerhalb einer Einflusssphäre von 60 mm Durchmesser approximiert und mit den
Brennstoffeigenschaften und den Brennstoffanalysen definiert. Damit kann die mechanische
Interaktion durch die Wechselwirkung von kugelförmigen Brennstoffobjekten abgebildet werden.
Zunächst wurde eine initiale Schüttung auf dem Rost mit konstanten Randbedingungen erstellt.
Dazu wird das Strömungsfeld inklusive heißer Brennraumtemperaturen mittels stationärer CFD-
Simulation erstellt und in die DEM-Simulation eingelesen. Anschließend startet die DEM-
Simulation zunächst ohne Rückkopplung mit der Fluidphase.
Seite 58 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 50: Initialisierung des Brennbettes
In Abbildung 50 ist die Verteilung der Partikel auf dem Rost zur Initialisierung des Brennbettes zu
den Zeitpunkten 10 s, 50 s, 200 s, 500 s dargestellt. Wie zu erkennen ist, wird bereits die
Temperaturverteilung durch Schürung und die temperaturinduzierte Umsetzung des Feststoffes
berücksichtigt. Nach 500 s hat sich eine sinnvolle Verteilung der Spezies und Temperaturen auf
dem Rost eingestellt. Im nächsten Schritt wird die CFD Simulation mit entsprechenden
Quellterme gestartet, sodass sich eine korrespondierende CFD Lösung mit entsprechendem
Temperatur-, Geschwindigkeits- und Speziesprofilen ergibt.
Seite 59 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 51: Ergebnisse der stationären Lösung der Fluidphase nach setzen der Quellterme
Abbildung 51 zeigt die berechneten Konturen der Temperatur, der Geschwindigkeitsvektoren und
der Spezies im Brennraum für den stationären Fall. Mit Hilfe des Porositätsansatzes wird der
Druckverlust der Strömung durch das auf dem Rost liegende Brenngut (grün) berechnet. Zur
Berücksichtigung des Druckverlustes durch die Roststäbe wird eine niedrige Porosität in den
Primärluftzonen unterhalb des Rostes definiert (blau). Damit ergibt sich ein erzwungenes,
vereinfachtes Geschwindigkeitsprofil durch das Brennbett ohne Auflösung der lokalen
Strömungsverhältnisse innerhalb der Schüttung. Die Darstellung der Temperaturen zeigt die
resultierenden Reaktionszonen nach Lösung des Gleichungssystems inklusive der Quellterme
aus der DEM-Simulation. Diese zeigen sich vor allem unterhalb des Rauchgaskanals sowie
oberhalb der Sekundärluftdüse. Die Konzentration von Wasserdampf im Brennraum ist sofort
nach der Brennstoffaufgabe erhöht. Die Aufheizung der Partikel durch die hohen Temperaturen
aus dem Brennraum führen zu einer schlagartigen Trocknung und damit zur frühen Freisetzung
des im Feststoff gebundenen Wasser. Die höchste Konzentration des Wasserdampfs ist am
vordersten Punkt der Feuerlage lokalisiert. Zum einen sind die Temperatur und die Eindringtiefe
der Strahlung hier aufgrund des Partikelabbrandes am größten, zum anderen erhöht sich der
Wasseranteil im Brennraum infolge der Reaktion der Flüchtigen. Die maximale bzw. minimale
Konzentration von Kohlenwasserstoffen bzw. Sauerstoff im Brennraum zeigen die sich
ergebende Feuerlage bei den eingestellten Betriebsbedingungen.
Auf Basis dieser Lösung wurde im nächsten Schritt die bidirektionale vollständig instationär
gekoppelte DEM/CFD Simulation durchgeführt.
Seite 60 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 52: Exemplarischer Zeitpunkt der instationär gekoppelten DEM/CFD Simulation
Seite 61 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 52 zeigt beispielhaft drei ausgewählte, aufeinander folgende Zeitpunkte der
Simulationsergebnisse der transient gekoppelten DEM/CFD Simulation. Der Einfluss der
Feuerlage und die Notwendigkeit der dreidimensionalen Auflösung der Wärmeübertragung an
den Partikeln wird deutlich. Die heiße Seite der Partikel befindet sich in Blickrichtung der
Flamme, während die abgewandte Seite kalt bleibt. Die stetig wechselnde Flammenkontur und
Position innerhalb kurzer Zeitschritte macht die große Dynamik dieses System deutlich. Die
Rückkopplung der resultierenden Strahlungswärme an die Partikel scheint vergleichsweise
konstant zu bleiben. Dies kann auf die Trägheit der Wärmeleitung innerhalb der Partikel
zurückgeführt werden. Die Partikel speichern demnach die Wärme im Inneren, sodass der
Einfluss kurzeitiger Schwankungen der Reaktionszone einen geringen Einfluss auf die
Partikelaufheizung haben.
Auf Basis von ca. 1000 s simulierter Betriebsdauer können die zeitlichen Mittelwerte entlang der
in Abbildung 49 eingezeichneten Messpunkte gebildet und mit Messdaten [3] verglichen
werden.
Abbildung 53: Vergleich der Anteile O2 und H2O in der Gasphase zwischen Messung und Simulation
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
O2
,H2
O [V
ol%
]
Rostlänge [m]
Messung O2
Simulation O2
Messung H2O
Simulation H2O
Seite 62 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Abbildung 54: Vergleich der Anteile CO und CO2 in der Gasphase zwischen Messung und Simulation
Abbildung 55: Vergleich der Temperaturen im Gutbett und Feuerraum zwischen Messung und Simulation
0
0.1
0.2
0.3
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
CO
, C
O2
[V
ol %
]
Rostlänge [m]
Messung CO
Simulation CO
Simulation CO2
Messung CO2
0
250
500
750
1000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Te
mp
era
tur
[K]
Rostlänge [m]
Messung_Gutbett
Simulation_Gutbett
Messung_Feuerraum
Simulation_Feuerraum
Seite 63 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
In Abbildung 53 - Abbildung 55 sind die Volumenanteile O2, H2O, CO und CO2 sowie die
Temperaturen im Gutbett und im Feuerraum aus den Messungen und Simulationen
gegenübergestellt. Grundsätzlich zeigen die Simulationsergebnisse eine qualitativ gute
Übereinstimmung des über die Zeit gemittelten, stationären Systems. Vor allem die Position der
Feuerlage und der O2-Gehalt können mit dem Simulationsansatz gut abgebildet werden.
Schwächen sind hingegen an der Position des Maximums des Wasserdampfgehaltes im
Brennraum erkennbar, was auf den vereinfachten Ansatz durch Betrachtung von
„Einflusssphären“ zurückgeführt werden kann. Die Gehalte an CO, CO2 werden nicht hinreichend
genau wiedergegeben. In der Messung war ein deutlich stärkerer Anstieg von CO im Rauchgas
erkennbar, was auf eine lokal unvollständige, unterstöchiometrische Verbrennung schließen
lässt. Mit den aktuell implementierten Modellen zur Gasphasenverbrennung lassen sich die
tatsächliche Pyrolysegaszusammensetzung und deren stöchiometrische Beziehungen nicht
simulieren und müssen vereinfacht angenommen werden. Aus diesem Grund ist eine quantitative
Aussage über die Abgaszusammensetzung derzeit nicht sinnvoll möglich. Die Temperaturen im
Kern der Feuerlage und in der näheren Umgebung werden durch die Simulationen abgebildet. In
den Messungen bleibt die Temperatur im Feuerraum auch in entfernten Messpunkten zur
Feuerlage hoch, während diese in den Simulationen deutlich absinken. Dies kann auf die
Vereinfachungen in den Simulationen zurückgeführt werden, in denen Partikel ab einer kritischen
Größe und Zusammensetzung als Inertmaterial betrachtet und aus dem Prozessgebiet gelöscht
werden, um die Rechenzeiten zu minimieren. Tatsächlich fungieren die heißen Aschepartikel
bzw. unverbranntes Restmaterial als zusätzlicher Wärmeträger, was zu einer höheren
Temperatur im Feuerraum auch in größerer Entfernung zur Feuerlage führt.
Seite 64 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
6 Verwendung der Zuwendung
Teilziel laut Antrag / Arbeitspaket 1: Auslegung, Bau und Inbetriebnahme der Versuchsanlage
wissenschaftlich-technisches Personal
Die wissenschaftlichen Mitarbeiter Florian Sudbrock (Januar 2014-Februar 2015) und
Frederic Buß (seit Januar 2015 ) koordinierten den Versuchsstandsaufbau und waren
für die Entwicklung eines Konzeptes für eine reproduzierbare Versuchsdurchführung
inklusive Versuchsvorbereitung und Messwerterfassung zuständig.
(6 Personenmonate)
Teilziel laut Antrag / Arbeitspaket 2: Fluiddynamische Charakterisierung
wissenschaftlich-technisches Personal
Die wissenschaftlichen Mitarbeiter Florian Sudbrock (Januar 2014-Februar 2015) und Frederic Buß (seit Januar 2015 ) waren für die Leitung und Koordination der Experimente zur fluiddynamischen Charakterisierung zuständig. (2 Personenmonate)
Teilziel laut Antrag / Arbeitspaket 3: Wärmeübertragung in inerter Schüttung
Verwendung der Zuwendung
wissenschaftlich-technisches Personal
Der wissenschaftliche Mitarbeiter Frederic Buß überprüfte und erweiterte das
DEM/CFD-Modell zur Wärmeübertragung. Zudem koordinierte er die experimentelle
Validierung. (4 Personenmonate)
Teilziel laut Antrag / Arbeitspaket 4: Gasphasenreaktion in inerter Schüttung
wissenschaftlich-technisches Personal
Der wissenschaftliche Mitarbeiter Frederic Buß war für die Entwicklung des
experimentellen Konzeptes sowie der Leitung der Versuche zuständig.
(2 Personenmonate)
Teilziel laut Antrag / Arbeitspaket 5: Charakterisierung der Brennstoffpartikel
wissenschaftlich-technisches Personal
Der wissenschaftliche Mitarbeiter Frederic Buß koordinierte die Laboruntersuchungen
und Auswertungen der eingesetzten Brennstoffe (2 Personenmonate)
Teilziel laut Antrag / Arbeitspaket 6: Untersuchung reagierender, geschürter Schüttungen
Der wissenschaftliche Mitarbeiter Frederic Buß führte die Experimente und
Auswertungen am Versuchsstand durch (9 Personenmonate)
Teilziel laut Antrag / Arbeitspaket 7: Simulation einer Rostfeuerung
wissenschaftlich-technisches Personal
Der wissenschaftliche Mitarbeiter Frederic Buß führte DEM/CFD-Simulationen und die
Auswertung durch. (5 Personenmonat)
Seite 65 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
6.1 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
Die geleistete Arbeit entspricht den im Projektantrag definierten Aufgabenstellungen bzw.
den Inhalten der einzelnen Arbeitspakete. Der erzielte Erkenntnisgewinn folgt dabei den
formulierten Erwartungen und unterstreicht die Notwendigkeit derartiger Untersuchungen
zum Verständnis der Detailvorgänge in Stückgutfeuerungen.
7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
der erzielten Ergebnisse für KMU Die qualitativen und quantitativen Ergebnisse und Erkenntnisse zu den Detailvorgängen in
reagierenden, mechanisch bewegten Schüttungen am Beispiel von Rostsystemen ist von
generellem Nutzen für alle Bereiche der Energieverfahrens- und Energieprozesstechnik, in denen
stückige Feststoffe transportiert, gemischt, mechanisch bzw. thermisch behandelt oder
umgewandelt werden.
Vor allem bei kleinen und mittleren Unternehmen wird der Spielraum für empirische
Entwicklungsarbeiten an laufenden oder in der Inbetriebnahme beim Kunden befindlicher
Systeme immer kleiner. Gleichzeitig sind nur selten die finanziellen und vor allem personellen
Ressourcen für den Einsatz aufwendiger numerischer Verfahren vorhanden. Hier kann, gerade
auch wegen der Komplexität der Vorgänge und der Vielzahl der zu variierender Größen, durch
die Übernahme der Projektergebnisse die Zahl notwendiger empirischer Untersuchungen
verringert werden, was die Entwicklungskosten und das Entwicklungsrisiko vermindert und
gleichzeitig die Chancen für einen wirtschaftlichen Erfolg neuer Konzepte verbessert. Die
Ergebnisse der Analyse zum Einfluss von Mischung auf Wärme- und Stoffübertragung in
bewegten Schüttungen können dabei zur Auslegung von konvektiven Wärmeübertragungs- und
Trocknungsprozessen in bewegten granularen Medien direkt eingesetzt werden. Anhand der
identifizierten allgemeinen Einflussfaktoren bezüglich konvektiver Transportprozesse ist eine
Systembeurteilung auch bei industriellen Anlagen im Voraus realisierbar.
Weiterhin wird den Unternehmen mit dem vorliegenden DEM-Code ein mit den experimentellen
Ergebnissen dieses Vorhabens abgeglichenes, innovatives und partikelbasiertes
Simulationswerkzeug zur Verfügung gestellt, das es erlaubt, auch messtechnisch nicht
erschließbare Detailvorgänge und Abhängigkeiten zu untersuchen und neue Feuerungsanlagen
anhand der Ergebnisse zu optimieren. Auch eröffnet die generelle Weiterentwicklung des
Wissens durch den Einsatz numerischer Methoden in diesem bisher hauptsächlich empirisch
bearbeiteten Bereich wichtige Optionen zur Entwicklung neuer Lösungsansätze mit den daraus
resultierenden wirtschaftlichen Erfolgsaussichten.
Aber nicht nur für diesem Anwenderkreis wird ein Werkzeug für die Anlagenauslegung
bereitgestellt. Das LEAT-DEM-Tool ist auch direkt oder mit minimalen Anpassungen (z. B.
Trocknungsanlagen, Trommelröstanlagen in der Nahrungsmittelindustrie) auf andere industrielle
Prozesse anwendbar. So wurde bereits für ein kleines Unternehmen eine numerische
Detailuntersuchung zum Abkühlprozess in einer spezifischen Feststoffschüttung mit dem
überprüften Simulationstool durchgeführt.
Letztendlich dokumentiert auch das große Interesse eines breiten Spektrums von Unternehmen
am projektbegleitenden Ausschuss die Erwartung der Unternehmen, mittelfristig ihre Leistungs-
und Wettbewerbsfähigkeit durch die vorwettbewerbliche Forschung zu verbessern.
Seite 66 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
8 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft
Übersicht Ergebnistransfer in die Wirtschaft
Zeitraum Maßnahme Erfüllungsstatus
Ma
ßn
ah
me w
äh
ren
d d
er
Lau
fze
it
Fortlaufend Betreuung studentischer
Arbeiten zur Thematik und
Einbeziehung studentischer
Hilfskräfte
2014 wurden eine Bachelorarbeit und eine
Masterarbeit zu der Thematik verfasst. im
WS 15/16 wurden zwei Masterarbeiten
verfasst. Im SS 16 wurde eine
Bachelorarbeit verfasst. Eine weitere
studentische Arbeit zum Thema ist in Arbeit
Halbjährlich Berichterstattung an den
Projektbegleitenden
Ausschuss
Treffen des Projektbegleitenden
Ausschuss am 28.01.2014, am 19.11.2014
am 20.10.2015, am 24.05.2016 und am
13.12.2016
Halbjährlich Bereitstellung der Dokumente
aus den PA-Sitzungen
Im Anschluss an das Treffen des
Projektbegleitenden Ausschuss
Jährlich Bereitstellung des
Zwischenberichts
Zwischenbericht 2014 eingereicht
Zwischenbericht 2015 eingereicht
2013 Querinformation über die
Plattform der VGB-
Forschungsstiftung
(Homepage)
Vorstellung des Projektes auf der VGB-
Homepage auf deutsch und englisch:
http://www.vgb.org/fue_projekt377.html
2014 Veröffentlichung in
Fachzeitschrift, Fokus
Grundlagen
Manuskript veröffentlicht bei „Drying
Technology“
2014 Vortrag auf Konferenz Vortrag auf internationalen
Fachkonferenzen:
International Drying Symposium, 24.-27.
August 2014, Lyon, Frankreich
DBFZ-Workshop on CFD and Biomass
Thermochemical Conversion, 30.
September 2014, Leipzig, Germany
2016 Beitrag auf Fachtagung DGMK-Fachbereichstagung Konversion
von Biomassen und Kohlen 9.-11.Mai 2016
Rotenburg a.d.F, Deutschland
Seite 67 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Ma
ßn
ah
me
nac
h A
bsch
lus
s
2017 Beiträge auf Konferenzen Vortrag beim Mediterranian Combustion
Symposium vom 17.09-21.09. 2017 in
Neapel, Italien
Beitrag auf dem VDI Flammentag 06.09-
07.09 2017, Darmstadt, Germany
2017 Bereitstellung der Ergebnisse
und Simulationsdatensätze
Bereitstellung der Ergebnisse für
interessierte Unternehmen am
Abschlussmeeting im Juni 2017
2017 Abschlussbericht eingereicht
2017/2018 Veröffentlichung in
Fachzeitschrift, Fokus
industrielle Anwendung (VGB-
Powertech)
Weitere Veröffentlichungen zu diesem
Thema geplant
Seit 2016 Übernahme und Darstellung
von Ergebnissen in der
akademischen Lehre
Darstellung von Ergebnissen in der
Vorlesung Energietechnik und
Ressourcenmanagement
2018/2019 Dissertation
9 Umsetzung des Transferkonzeptes
Durch Kombination unterschiedlicher Maßnahmen wurde schon während der Projektlaufzeit und
bei Projektabschluss der Ergebnistransfer in die Wirtschaft gewährleistet und gefördert. Die
einzelnen Maßnahmen sehen wie folgt aus:
In dem durch KMU‘s geprägten Projektbegleitenden Ausschuss sind sowohl Mitarbeiter von
Anlagenbauern als auch von Anlagenbetreibern integriert. Anregungen und konkrete
Problemstellungen aus dem Projektbegleitenden Ausschuss wurden im Vorhaben
mitberücksichtigt, sodass eine gemeinschaftliche Daten- und Erkenntnisbasis gelegt wurde.
Dadurch können die Ergebnisse sowohl beim Anlagendesign (Einfluss lokale Kühlquellen)
wie auch beim Anlagenbetrieb (Einfluss Schürung, Brennstoffgeometrie) bei den
entsprechenden Unternehmen berücksichtigt werden.
Die Plattform der VGB-Forschungsstiftung, speziell das Technical Committee (TC) "Use of
Renewables and Distributed Generation“ mit der Technical Group „Biomass“ und der
Technical Group "Thermal Waste Utilisation" stellt die Querinformation in die Energiebranche
und zu anderen Industrieverbänden der Chemie- und Verfahrenstechnik sicher.
Die im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse wurden in Form von frei zugänglichen
Zwischen- und Abschlussberichten dokumentiert.
Weiterhin wurden die Erkenntnisse bei Fachtagungen (DGMK-Fachbereichstagung 2016) und
Konferenzen (u. a. VDI-Flammentag 2015, International Drying Symposium, 24.-27. August
2014, Lyon, Frankreich) vorgetragen
Seite 68 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Im September 2017 werden die gewonnenen Erkenntnisse auf dem „ 10 th Mediteranian
Combustion Symposium“ und dem „VDI Flammentag 2017“ präsentiert und somit einer
breiten Öffentlichkeit und einer Vielzahl von Unternehmen zugänglich gemacht.
Im Rahmen des DBFZ-Workshops: “On CFD and Biomass Thermo-chemical Conversion” am
30. September 2014, in Leipzig wurde die Thematik interessierten deutschen Unternehmen
zugänglich gemacht.
Auf dem Gebiet der Ausbildung wurden und werden die Ergebnisse im Rahmen der
Lehrtätigkeit an der Ruhr-Universität Bochum vermittelt (seit 2014). Durch Mitarbeit
studentischer Hilfskräfte und der Betreuung studentischer Arbeiten zum Projektinhalt wurde
und wird die intensive Einarbeitung zukünftiger Absolventen in die Thematik gefördert, über
den Personaltransfer werden Erkenntnisse in die Industrie transferiert.
Nach Beendigung des Vorhabens sind komplette DEM-Datensätze (Schürraten,
Umsatzraten, lokale Temperaturen, Rauchgaszusammensetzung) den Firmen des PA und
der Fachöffentlichkeit zugänglich gemacht worden. Die Ergebnisse werden im direkten
Kontakt mit den Unternehmen in Hinblick auf deren Feuerungsdimensionen, -betrieb und
Brennstoffaufbereitung vermittelt.
10 Literaturverzeichnis
[1] Behling, J.,Untersuchungen zum thermischen Umsetzungsverhalten von makroskopi- schen Einzelpartikeln aus Holz. Bochum, 2017.
[2] Ergun, S.,“Fluid Flow through Packed Columns,” Chem. Eng. Prog., vol. 48, pp. 89–94, 1952.
[3] Bleckwehl, S.,“Bleckwehl, S.: Charakterisierung der verbrennungstechnischen Eigenschaften fester Brennstoffe im Festbett,” KIT, 2009.
Seite 69 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17949 N
Anhang A
Parametereinstellungen der Simulationen
Model Parameter
Turbulence SST-k,Omega
Radiation Discrete Ordinates
Species CH4, O2, CO2, CO, H2O, N2
Reaction Eddy-Dissipation
1
2
CH4 +2O2 -> CO2 + 2H2O
CO + 0.5 O2 –> CO2
Time Step Fluent/Coupling 0,1 s
Time Step DEM 2.5 x 10^-5 s