Inhaltsverzeichnis - VGB · 2017. 6. 30. · Zur Untersuchung des Einflusses kontrollierter Schürung auf den Verbrennungsprozess wurde ein entsprechender Versuchsstand konzipiert

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.


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


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.


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-


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.


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.


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)


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–


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


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


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



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


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.


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


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.


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.


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:


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


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.


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]


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.


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


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


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


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


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.


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


Verbrennung (t+60s)


30% ungeschürt

geschürt

50% ungeschürt

geschürt

70% ungeschürt

geschürt

Abbildung 23: Repräsentative Bildaufnahmen der Bettoberfläche nach (60s) der Zündung der Gasphase


Ausbrand (t+360s)


30% ungeschürt

geschürt

50% ungeschürt

geschürt

70% ungeschürt

geschürt

Abbildung 24: Repräsentative Bildaufnahmen der Bettoberfläche kurz nach der stationäre Verbrennung


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


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


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


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)


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


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


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.


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


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


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


Abbildung 35: Luftzahl nach Zündung der Gasphase für Experimente mit Würfeln


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.


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.


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


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


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


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]


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


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.


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


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)


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


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.


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


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


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.


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.


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.


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.


Abbildung 52: Exemplarischer Zeitpunkt der instationär gekoppelten DEM/CFD Simulation


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


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


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.


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


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


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


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


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


Der wissenschaftliche Mitarbeiter Frederic Buß führte DEM/CFD-Simulationen und die

Auswertung durch. (5 Personenmonat)


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.


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

http://www.vgb.org/fue_projekt377.html


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


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 makroskopischen 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.


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

Documents

Inhaltsverzeichnis - VGB · 2017. 6. 30. · Zur Untersuchung des Einflusses kontrollierter Schürung auf den Verbrennungsprozess wurde ein entsprechender Versuchsstand konzipiert