Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserung der pneumatischen Beschickung von Prozessen zur Nutzung halmgutartiger Biomasse

Ein geeignetes Verfahren für den Transport halmgutartiger Biomassen, aber auch anderer faseriger Stoffe, ist die pneumatische Förderung. Ist eine solche Förderung nicht optimal ausgelegt, kann es zu Betriebsstörungen und daraus folgend erhöhten Betriebskosten kommen. Gerade bei halmgutartiger Biomasse / anderen faserigen Stoffen können sich die Partikel aufgrund ihrer Form ineinander verhaken und damit zu Blockaden in der Förderung führen, was in möglichen Schwankungen im Fördergutmassenstrom resultiert und zu Beanspruchung der Halme/Fasern führt. In diesem Zusammenhang anzumerken ist, dass aktuell vorhandene Auslegungsdiagramme und Berechnungsansätze zur pneumatischen Förderung für halmgutartige Biomasse und andere faserige Stoffe unzureichend sind.

Eine Möglichkeit, um ein besseres Verständnis des Transports halmgutartiger Biomasse bzw. faseriger Stoffe zu erhalten, stellen numerische Ansätze, wie die Diskrete Elemente Methode (DEM) unter Anbindung an die numerische Strömungssimulation (CFD), dar. Diese ist in der Lage, Systeme aus Partikeln mit halmgutartigen oder faserigen Eigenschaften abzubilden, wobei auch die Verformung von Halmen/Fasern berücksichtigt werden kann. Die Simulationsmethodik erlaubt es damit, eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebszustände mit verhältnismäßig geringem Aufwand abzubilden. Der Aufbau einer solchen Methodik, um die DEM/CFD zur Ableitung/Weiterentwicklung von Auslegewerkzeugen und Rechenvorschriften für die pneumatische Förderung halmgutartiger/faseriger Stoffe heranzuziehen, ist Ziel des hiesigen Vorhabens. Eine derartige Methodik, genauso wie die abgeleiteten Modelle, kommen direkt KMUs (z.B. Anlagenbauern, Betreibern von Anlagen) zu Gute, in denen der pneumatische Transport halmgutartiger/faseriger Stoffe eine Rolle spielt. Als Ergebnis wird sich das Förderverhalten wirkungsvoll vorhersagen und hinsichtlich Partikelbeanspruchung, möglichem Energieverbrauch und Förderdurchsatz optimieren lassen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurde ein kombiniert numerisch/experimenteller Ansatz verwendet, um das

Förderverhalten halmgutartiger Biomasse in pneumatischen Förderungen zu charakterisieren. Der numerische

Ansatz basierte hierbei auf der Diskreten Elemente Methode (DEM), mit welcher Partikelsysteme mit hohen

Partikelanzahlen abgebildet werden können. Halmgutartige Biomasse mit üblicherweise hohen Verhältnissen von

Länge zu Durchmesser lassen sich dabei als verkettete Einzelpartikel beschreiben. Die Berechnung der

Wechselwirkungen zum umgebenden Fluid erfolgte durch die Kopplung der DEM mit einer numerischen

Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics / CFD). Die Verformung von Halmen wurde über eigens

formulierte Wechselwirkungskräfte realisiert, welche sich aus Biegemodellen ableiten ließen. Für die

Implementation der beschriebenen Modellerweiterungen musste ein bestehender DEM-CFD-Simulationsrahmen

maßgeblich erweitert werden.

Die dabei final umgesetzte Methodik erlaubt die simulative Abbildung verschiedener Prozessbedingungen der

pneumatischen Förderung von halmgutartiger Biomasse. Dies erlaubt Aussagen über die lokalen Verteilungen von

Position, Orientierung und Geschwindigkeit der Partikel innerhalb der Förderstrecke, die Geschwindigkeits- und

Druckprofile der Fluidphase sowie daraus resultierende integrale Prozessparameter wie Fördermassenstrom,

Beladung und lokale bzw. globale Druckverluste. Aus dem Ergebnisgemenge können charakteristische

Förderzustände wie Stopfgrenzen, Flug-, Strähnen- oder Ballenförderung mit den korrespondierenden

Prozessdaten identifiziert und in entsprechende Zustandsdiagramme überführt werden. Anhand der so

gewonnenen Daten können für die Auslegung und den Betrieb wichtige Informationen abgeleitet werden. Da die

Methodik auch in kommerzieller Software realisiert werden kann, steht sie auch KMUs in vollem Umfang zur

Nutzung zur Verfügung.