Modellentwicklung zur Beschreibung von Transport, Mischung und Abbrand von Hausmüll auf Rostsystemen mit Hilfe einer CFD-DEM-Kopplung
Final Report Abstract
Die innerhalb dieses Projektes durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen lieferten einen detaillierten Einblick in die mechanische und thermische Interaktion innerhalb des Brennbetts von Rostfeuerungssystemen. Da die mittels der Roststäbe im Brennbett mechanisch induzierte Bewegung sowie Brennstoffbeschaffenheit und -zusammensetzung einen erheblichen Einfluss auf den Materialtransport haben, wird die Durchmischung des Müllbetts direkt mit der Diskreten Elemente Methode simuliert. Damit lassen sich statistische Vorgaben vermeiden (etwa integrale Verweilzeiten, Transportwirkungsgrade und eine mittlere Brennstoffzusammensetzung und der jeweiligen Varianzen), wie diese etwa bei Kontinuumsmodellen für das Müllbett zu treffen sind. Zur Ableitung geeigneter mechanischer Interaktionsparameter für das verwendete Mechanikmodell wurde ein grundsätzlicher Weg gefunden, mit dem sich für nahezu alle Arten von Schüttgütern geeignete Modellparameter ableiten lassen. Hierbei kombiniert das Modell die Vorteile kleiner Rechenzeiten durch die Wahl kugelförmiger Partikel, mit einer realitätsnahen Approximation der integralen Mechanik des Schüttguts. Unter Berücksichtigung von thermodynamischen und thermochemischen Vorgängen auf Partikelebene sowie der Wechselwirkung mit dem Brennraum oberhalb des Brennbetts, lässt sich der Abbrand auf Rostsystemen ganzheitlich betrachten. Auf diese Weise war es möglich, die Müllverbrennung auf Rostsystemen numerisch im Detail zu untersuchen. Hierzu wurden eine reale Brennstoffzusammensetzung und Korngrößenverteilung genutzt, um den realen Hausmüll in den Simulationen zu approximieren. Instationäre Effekte, die innerhalb des Brennbetts auftreten (etwa hervorgerufen durch Änderungen in der Brennstoffzusammensetzung, Heizwertschwankungen oder auch Segregation), konnten anhand von Sensitivitätsanalysen analysiert und der Einfluss auf die thermochemische Umwandlung im Brennbett und in der Gasphase herausgearbeitet werden. Ebenso wurde der Einfluss verschiedenartiger Transportmechanismen sowie die Wechselwirkung des Abbrandverhaltens, der Feuerraumstrahlung und der CO-Strähnenbildung hinsichtlich unterschiedlicher Kesselbauformen analysiert. Trotz Kugelapproximation konnten in den durchgeführten Arbeiten größtenteils gute Übereinstimmungen zwischen Experimenten und Simulationen erzielt werden. Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass es Anwendungsbereiche gibt, die eine höhere Approximationsgüte der Objekte erfordern. Für solche Anwendungsfälle (z. B. Beschickungsvorgang in einem Aufgabeschacht) besteht die Option, Objekte zu verwenden, die durch zusammenhängende Polygonzüge definiert werden.
Publications
- (2017) Simulating municipal solid waste incineration with a DEM/CFD method – Influences of waste properties, grate and furnace design. Fuel 206 638–656
Wissing, F.; Wirtz, S.; Scherer, V.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.06.037) - Coupled DEM/CFD Simulation of heat transfer in a generic grate system agitated by bars, Powder Technology 249 (2013), 360-372
Rickelt, S.; Sudbrock, F.; Wirtz, S.; Scherer, V.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2013.08.043) - Heat transfer in indirect heated rotary drums filled with monodisperse spheres: Comparison of experiments with DEM simulations, Powder Technology 286 (2015), 722-731
Komossa, H.; Wirtz, S.; Scherer, V.; Herz, F.; Specht, E.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.07.022) - Radiation Heat Transfer within the Discrete Element Method - Relevance, Implementation and Examples -, 4th Conference on Particle-Based Methods (Particles 2015), Barcelona, 28.-30. September 2015
Wirtz, S.; Wissing, F.; Scherer, V.
- DEM/CFD Modelling of the fuel conversion in a pellet stove, Fuel Processing Technology 152 (2016) 223–239
Wiese, J.; Wissing, F.; Höhner, D.; Wirtz, S.; Scherer, V.; Ley, U.; Behr, H.M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2016.06.005) - Discrete Element Modelling of MSW incineration on grate firing systems: Influence of waste properties, 41st International Technical Conference on Clean Coal & Fuel Systems, Clearwater, 05.-09. Juni 2016
Wissing, F.; Wirtz, S.; Scherer, V
