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Grobstruktursimulation der Vergasung biogener Brennstoffe in Wirbelschichten am Beispiel von Holz
Stephan Gerber
Das Stipendium

Bild einer reaktiven Wirbelschicht (farbliche Kennzeichnung verschiedener Partikeldurchmesser)
Bild einer reaktiven Wirbelschicht (farbliche Kennzeichnung verschiedener Partikeldurchmesser)
Die detaillierten chemisch-physikalischen Zusammenhänge bei der Vergasung von Biomasse sind zum Teil immer noch unverstanden, was unter anderem an der Modellierungsgenauigkeit liegt. In diesem Lichte ist gerade die Berücksichtigung einzelner Brennstoff-Partikel und deren Historie ein wesentlicher Vorteil der hier angestrebten Art der Modellierung (Euler-Lagrange-Modelle).
Mit Hilfe eines in dieser Arbeit entwickelten Simulationswerkzeuges (auf Basis der Euler-Lagrange-Modellierung) soll es möglich werden, einen tieferen Einblick in bisher unverstandene Zusammenhänge zu ermöglichen. Dabei sollen eigene Berechnungen untereinander, mit anderen gängigen Simulationswerkzeugen (z.B. MFIX), Literaturdaten und am Institut gewonnenen experimentellen Daten verglichen werden.


Um eine detaillierte Modellierung des Vergasungsgeschehens zu ermöglichen wurde ein transientes, eindimensionales Modell des Abbrandes eines Einzelpartikels (hier bestehend aus Holz bzw. im späteren Verlauf Holzkohle) implementiert, welches in der Literatur hinreichend experimentell validiert wurde.
Dabei wird der konvektive Transport verschiedener Gaskomponenten (Luft, Teer und Holzgas), eine Energiebilanz (Feststoff und Gasphase werden hier vereinfacht im thermischen Gleichgewicht betrachtet) und mehrere Massenbilanzen für die einzelnen Komponenten der Festphase simultan gelöst.
Das Modell wurde dahingehend erweitert, dass die in dieser Arbeit angenommene Kugelgeometrie der Biomassepartikel berücksichtigt werden kann.
Im weiteren Verlauf der Entwicklung dieses Einzelpartikelmodelles sollen einzelne Gaskomponenten(Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser, Methan etc.) berücksichtigt werden, um auch die Vergasung der durch die Pyrolyse entstehenden Holzkohle modellieren zu können.

Im Zuge der Arbeit am ursprünglich inerten Modell einer Wirbelschicht ist im Laufe des ersten Promotionsjahres ein einfacher Gasphasenreaktionsmechanismus (im Wesentlichen Oxidationsreaktionen der brennbaren Pyrolyseprodukte) in die Simulation integriert worden. Dazu werden im nun erweiterten Modell die Komponentenbilanzen der zu berücksichtigenden Stoffe, eine Gesamtmassenbilanz mit variabler Dichte und die Energiebilanz gelöst. Der Energie-, Massen- und Impulsaustausch zwischen den Phasen (fest und gasförmig) wird mit geeigneten Mitteln berücksichtigt (particle in cell).
Dazu wurde zunächst ein nulldimensionales Einzelpartikelmodell (System gewöhnlicher Differentialgleichungen) in die Reaktorsimulation implementiert, welches in der Lage ist, die wesentlichen Züge der Vorgänge während der Pyrolyse wiederzugeben.
Der weitere Ausbau dieses Teils der Promotion sieht die Implementation der heterogenen Vergasungsreaktionen vor, damit auch im Modell des gesamten Reaktors die Vergasung der Holzkohle berücksichtigt werden kann.

Um letztendlich genügend Vergleichsdaten zur Validierung der entstehenden Reaktorsimulation zu haben, wurde mit Hilfe von MFIX eine Vergleichssimulation auf Basis der Euler-Euler-Modellierung geschaffen.
Die Notwendigkeit einer Vergleichssimulation ergibt sich schon deshalb, da Gas-Feststoffströmungen messtechnisch kaum zugänglich sind.
Im Verlauf der Arbeiten an diesem Modell wurde ein komplettes Pyrolysemodell mit homogener und heterogener Chemie implementiert.
Das Modell ist soweit fortgeschritten in seiner Entwicklung, dass bereits quantitative Vergleiche zu Experimenten angestellt werden können.
Um auch im Rahmen der Euler-Euler-Modellierung die Historie der Holzkohlepartikel berücksichtigen zu können, sollen im zweiten Promotionsjahr Populationsbilanzen der einzelnen festen Phasen (insb. der Holzkohle)
betrachtet werden.
Stipendiat/in: Stephan Gerber

Förderzeitraum:
01.07.2007 - 30.06.2010
Institut:
Technische Universität Berlin
Institut für Energietechnik
Betreuer:
Prof. Dr. Frank Behrendt
Thema:
Grobstruktursimulation der Vergasung biogener Brennstoffe in Wirbelschichten am Beispiel von Holz

Stephan Gerber
Stephan Gerber
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