Simulation der Feinstaubentstehung bei der Kohlenstaubverbrennung

In dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem die detaillierte Untersuchung von Kondensationsphänomenen bei der Kohlenstaubverbrennung ermöglicht wird. Es werden homogene und heterogene Kondensationsmodelle sowie Kollisionsmechanismen numerisch abgebildet und anhand experimenteller Daten bewertet.

Experimentelle Versuche wurden in einem Flugstromreaktor mit einer ausgewählten Steinkohle und variierender Stöchiometrie durchgeführt. Die Quantifizierung des Feinstaubs während der Versuche wurde mit einem ELPI durchgeführt, dessen Probeplättchen im Anschluss an die Messungen in einem Rasterelektronenmikroskop untersucht worden sind. Dabei konnten Artefakte durch auskondensierende Schwefelsäure beim Unterschreiten des Säuretaupunktes festgestellt werden, welche für die Auswertung von ELPI-Messreihen zu berücksichtigen sind. Die korrigierten Messdaten standen für die Validierung eines Simulationsmodells zur Verfügung.

Parallel wurde das Simulationsmodell KondenSim entwickelt, was es ermöglicht die Feinstaubentstehung anhand von CFD-Partikeltrajektorien zu simulieren. Durch diese Kopplung mit CFD-Simulationen ist es möglich das Simulationsmodell auch auf Problemstellungen anzuwenden, die über den Anwendungsbereich Kohlestaubfeuerung hinausgehen. Das Modell erlaubt des weiteren Aussagen über die Zusammensetzung einzelner Größenklassen, da es alle wichtigen Aschebestandteile berücksichtigt.

Durch eine Parametervariation mit dem Simulationsmodell konnten bestimmte Freiheitsgrade, die sich beispielsweise durch die Modellwahl ergeben, eingegrenzt werden. Es konnte gezeigt werden, dass Kollisionsmechanismen lediglich im Submikrometerbereich berücksichtigt werden müssen und dass die Freisetzung diffusionslimitiert und proportional zum Ausbrand erfolgt. Außerdem zeigt das klassische Kondensationsmodell die beste Übereinstimmung mit Experimenten. Darüber hinaus wurde ein mathematisches Optimierungsverfahren angewendet, um die Freisetzung der Asche genauer zu untersuchen. Mit diesem Ansatz konnten detaillierte Simulationen zur Freisetzung durchgeführt werden und eine diffusionslimitierte Freisetzung bestätigt werden.