Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wechselwirkung von Fließverhalten und Durchströmung in Schachtöfen

Schachtöfen werden in der Grundstoffindustrie eingesetzt. Der Grundprozess besteht in der Durchströmung eines sich im Gegenstrom zu einem Fluid bewegenden Schüttguts, entweder um dabei Wärme mit dem Feststoff auszutauschen oder um chemische Prozesse durchzuführen. Bei dem Schüttgut kann es sich um die unterschiedlichsten stückigen Materialien handeln. Da es sich dabei häufig um natürlich abgebaute Rohstoffe handelt, werden Effizienz und Prozessablauf oft durch Veränderungen der Materialeigenschaften beeinträchtigt.

Um Maßnahmen zur Vermeidung materialbedingter Störungen während des Prozesses einsetzen zu können, soll in diesem Vorhaben das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Feststoff- und Gasphasenbewegung im Inneren der Schachtsysteme erweitert werden. Dazu sind Experimente und DEM/CFD-Simulationen vorgesehen. Es wird der Einfluss von Schüttguteigenschaften realer Materialien (wie Kornform und Oberflächeneigenschaften) auf Durchströmbarkeit und Materialbeweglichkeit ermittelt. Basierend auf den neuen Erkenntnissen werden betriebsrelevante, strömungsbedingte Effekte quantifiziert und in Abhängigkeit von Anlagenkenngrößen erfasst. Aus den Ergebnissen werden Parameter bestimmt, die für das Fließverhalten durchströmter Schüttgüter maßg. sind, um so kritische Betriebszustände durch gezielte Prozessführung (Anpassung von Gasvolumenströmen/Schüttgutaufgabe) ausschließen zu können.

Der Betrieb von Schachtöfen hat besondere Relevanz für KMU. So haben 81 % der Betriebe der Erzeugung von Kalk und der Eisen- und Stahlindustrie weniger als 250 Beschäftigte (32.000 Beschäftigte, 5,1 Mrd € Umsatz). Auch für KMU aus dem Bereich Mess- und Automatisierungstechnik kann das Projekt Absatzpotentiale eröffnen, da die Projektergebnisse die Basis bilden, die häufig empirische Prozessführung um neue Automatisierungskonzepte zu ergänzen. Die Bereitstellung einer überprüften DEM/CFD-Simulationsmethodik legt die Grundlage für Beratungsleistungen durch mittelständische Ingenieurbüros.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Vorhaben wurden die Wechselwirkungen zwischen Partikel- und Gasphasenbewegung im Inneren von Schachtsystemen beim gravitationsgetriebenen Feststoffauslauf untersucht. Durch Einsatz kalter, isothermer Experimente an generischen Geometrien (mit realen Schüttgütern) und durch korrespondierende DEM/CFD-Simulationen (mit variierender Approximation der Apparate- und Partikelgeometrie) hat das Projekt zu einer plausiblen, wenn auch nicht in allen Details verifizierten Beschreibung der (strömungs-) mechanischen Wechselwirkungen in Gegenstromsituationen geführt.

Es wurden drei Versuchsstände entwickelt, die mit unterschiedlichem Fokus (kugelförmige Modellpartikel, reales Schüttgutmaterial (Eisenerzsinter, Eisenerzpellets Koks), zwei vereinfachte, zylindrische Schächte und ein Schacht in Anlehnung an eine Hochofengeometrie) den Einfluss einer Gasphasengegenströmung auf den Feststoffaustrag zulassen. Eine Gas-Gegenströmung kann den Partikelmassenstrom erhöhen (kleine Volumenströme) aber auch erniedrigen (große Volumenströme). Wie stark die Effekte sind hängt nicht nur von Größen wie Sphärizität, Dichte und Partikelgrößenverteilung ab, sondern auch von Details der Partikelgeometrie (z.B. Rollreibung, Abrundung der Kanten). Insbesondere die Permeabilität nach Darcy konnte an einer realen Hochofenanlage als ein zentraler Parameter bei Störungen der Schüttgutbewegung identifiziert werden.

Die numerischen Simulationen konnten im Vergleich zu den Experimenten sehr plausibles Verhalten aufzeigen und sind damit als Werkzeug geeignet. Allerdings hat sich auch herausgestellt, dass besonders dann, wenn realistische Partikeleigenschaften und -formen das System kontrollieren, die einfache Approximation durch kugelförmige Partikel mit angepassten mechanischen Parametern nicht zielführend zu sein scheint. Hier ist eine genauere Abbildung der Partikelform durch Polyederapproximation notwendig.