DEM/CFD-Simulation und experimentelle Untersuchungen von Holzpelletfeuerungen

Die mit der zweiten Stufe der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) am 01.01.2015 herabgesetzten Emissionsgrenzwerte für Deutschland erhöhen die Herausforderungen an die Entwicklungen von Holzpelletfeuerungen. Um die notwendigen Anlagenoptimierungen zur Einhaltung dieser Vorschriften zu realisieren, ist ein detailliertes mathematisch-physikalisch-chemisches Verständnis der ablaufenden Prozesse notwendig. Dabei können numerische Methoden die Identifizierung der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Festbett- und Gasphasenprozessen unterstützen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird zur Abbildung der thermochemischen Prozesse in bewegten, durchströmten Schüttungen aus Holzpellets ein gekoppelter Simulationsansatz aus der Diskreten Elemente Methode (DEM) und Computational Fluid Dynamics (CFD) verwendet. Diese Kopplung erlaubt es, neben der parallelen Berechnung der Strömungs- und Verbrennungsprozesse innerhalb der Gasphase, auch die Gas-Feststoff-Interaktionen zu berücksichtigen.
Zur Überprüfung der gekoppelten DEM/CFD-Simulation werden zwei verschiedene Anwendungsfälle herangezogen. Zum einen nutzt diese Arbeit die numerischen und experimentellen Untersuchungen an einem Festbettreaktor. Zum anderen dienen im Rahmen dieser Arbeit an einem 13 kW Pelletkessel durchgeführte Experimente als weitere Referenz. Während anhand des Festbettreaktors im Wesentlichen die Festbettmodelle überprüft werden, stehen beim Pelletkessel die Prozesse im Brennraum im Vordergrund. Hierzu gehören die Temperaturverteilung im Brennraum sowie die Abhängigkeit der CO-Emissionen von der Stöchiometrie und Luftstufung.