Dynamische Modellierung reaktiver Wirbelschichtsysteme am Beispiel des Chemical-Looping-Combustion (CLC) Prozesses für feste Brennstoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich, seit 1/2020
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238541479

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von Modellen zur Simulation von Systemen gekoppelter Wirbelschichtreaktoren, die bei geringem Bedarf an Rechenleistung das instationäre Systemverhalten doch mit hinreichender Genauigkeit beschreiben und so eine iterative Berechnung von vernetzten Systemen mit Rückführungen erlauben. Ziel der Simulation ist die Beschreibung des dynamischen Verhaltens des Gesamtsystems und letztendlich die Optimierung des Gesamtprozesses und insbesondere der Lastwechsel- und der An- und Abfahrprozeduren. Es sollen getrennte Modelle für Reaktoren mit blasenbildender bzw. zirkulierender Wirbelschicht erstellt werden. Als Reaktionen werden sowohl Gas/Feststoff-Reaktionen als auch homogene Gasphasenreaktionen berücksichtigt. Die Modellentwicklung erfolgt am Beispiel des Chemical-Looping-Combustion-Prozesses für feste Brennstoffe. Die Modelle werden durch Messungen in der CLC-Anlage der TUHH validiert werden. Ein Schwerpunkt in der beantragten Laufzeit soll ein verbessertes Modell für die Wirbelschichten sein, das die Dynamik der Strömungsmechanik genauer beschreibt, als die bisherige Annahme, dass die Strömungsmechanik so schnell ist, dass sie jederzeit als quasistationär betrachtet werden kann. Um ein solches semi-empirisches Modell auch für von Standardgeometrien abweichende Geometrien verwenden zu können, soll eine Schnittstelle implementiert werden, die eine Parametrisierung des Modells anhand von einzelnen CFD-Simulationen unter Verwendung der MP-PIC-Methode erlaubt.Ein weiterer Schwerpunkt wird die Implementierung der Enthalpiebilanz sein, die es erlaubt die Reaktionswärmen sowie Wärmeverluste bzw. -auskopplungen zu berücksichtigen. Dies erlaubt die Simulation auch des thermischen Verhaltens von gekoppelten Wirbelschichtsystemen. Die erstellten Modelle werden mittels des im Zentralprojekt erstellten Rahmensystems verknüpft und anhand von Messungen validiert . Abschließend soll mit dem System eine großtechnische Anlage simuliert werden und auf ihr dynamisches Verhalten beim Heißstart, beim Abfahren und auch bei Lastwechseln untersucht werden. Zusätzlich sollen andere Konfigurationen für den CLC-Prozess und auch als ein alternativer Prozess das Chemical Looping Reforming simuliert und bezüglich ihres dynamischen Verhaltens analysiert werden. Mit diesen Simulationen soll auch die Flexibilität der erstellten Module und des Fließschemasystems gezeigt werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1679: Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Ernst-Ulrich Hartge, bis 1/2020 (†)