Wechselwirkung von Fließverhalten und Durchströmung in Schachtöfen

Forschungsstelle:

VdEH Betriebsforschungsinstitut

Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik (LEAT)

AiF – Fördernummer: 20409 N

Laufzeit: 01.11.2018 – 31.01.2022

Kurzfassung:
Eine Vielzahl technischer Prozesse, vor allem im Bereich der Grundstoffindustrie, wird in sogenannten Wanderbettreaktoren durchgeführt. Der diesen Apparaten gemeinsame Grundprozess besteht in der Durchströmung eines sich im Gegenstrom zu einem Fluid bewegenden Schüttguts, entweder um dabei Wärme und/oder Stoff mit dem Feststoff auszutauschen oder um daran geknüpfte thermochemische Prozesse durchzuführen. Bei Hochtemperaturanwendungen werden solche Apparate in der Regel als Schachtöfen bezeichnet. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Prozesse in der allgemeinen Verfahrens-technik, bei denen das mechanischen Gleichgewicht zwischen zwei gegeneinander gerichteten Strö-men von Gas und Feststoff eine Rolle spielt (u. a. Kontrolle des Fließverhaltens von Schüttgütern, Aus-fluss aus Silos, Trocknung von Biomasseströmen). Bei den eingesetzten Schüttgütern kann es sich um die unterschiedlichsten stückigen Materialien handeln, diese können abhängig vom angestrebten Pro-zess formstabil oder geometrisch veränderlich sein, sie können aber auch Phasenwechseln zu flüssig und/oder gasförmig unterliegen.
Während Systeme mit vergleichsweise kleinen Schüttgutpartikeln, bei denen die gewählte Durchströ-mung zur Fluidisierung führt (Wirbelschichten) und Systeme mit großen, relativ zur Schachtgeometrie ruhenden oder nur wenig bewegten Partikeln (katalytische Reaktoren, Regeneratoren) inzwischen gut erforscht sind, existieren im Prozessbereich zwischen diesen zwei Extremen auch heute noch große Wissens- und Verständnislücken.
Immer dann, wenn die Durchströmung direkt oder indirekt zu Veränderungen der Schüttgutbeweglich-keit führt, zum Beispiel bei Durchbläsern an der Grenze zur Lockerungsgeschwindigkeit oder der Durch-strömung von Schüttungen geometrisch inhomogener und/oder komplexer Partikel, ergeben sich räum-liche und zeitliche Veränderungen, deren abgesicherte quantitative Vorhersage derzeit nicht möglich ist. Abhängig vom angestrebten Prozess hat dies Folgen für Betriebsstabilität, Produktqualität und Wir-kungsgrad.
Ziel des vorgeschlagenen Vorhabens ist es daher, die Wechselwirkungen zwischen Gas- und Feststoffphase im Parameterbereich unterhalb der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit, zu analysieren und gesichert numerisch zu beschreiben. Dazu sollen vergleichende Experimente mit idealisierten Modellpartikeln und realem Material (Kalkstein, Pellets, Hochofenkoks) bei kontinuierlichem Gegenstrom beider Phasen durchgeführt werden. Korrespondierende Simulationen mittels DEM /CFD liefern die the-oretische Beschreibungsgrundlage, geben einen Einblick in Details des Bewegungsverhaltens des Schüttguts und dienen zum Vergleich mit den Experimenten. Darauf aufbauend sollen Strategien zur Vermeidung von unerwünschten Phänomenen wie gas- und feststoffseitigen Schieflagen entwickelt werden.
Es wird erwartet, dass hierdurch der Rohstoff- und Energieeinsatz vermindert und die Ausbringung im Schachtofenprozess gesteigert werden kann. Aus den Forschungsergebnissen ergibt sich ein breites Innovationspotential für mehrere Wirtschaftszweige, welches einen wichtigen Beitrag zur Ressourceneffizienz und zur Senkung des Energieeinsatzes liefert.