Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bereitstellung von experimentell abgesicherten CFD-Modellen für die thermische Umsetzung von Ersatzbrennstoffen (FLUFF)

Ersatzbrennstoffe werden überwiegend in der deutschen Zementindustrie zur Substitution fossiler Energieträger eingesetzt, um Kosten zu sparen und die CO2-Bilanzen der Anlagen zu verbessern. Den größten Anteil an Ersatzbrennstoffen in Zementwerken stellen aufbereitete, feste, flugfähige Brennstoffe (FLUFF) dar.

Die im FLUFF enthaltenen grobstückigen Brennstoffpartikel zeigen ein von Regelbrennstoffen abweichendes Abbrandverhalten und führen zu Veränderungen der lokalen Wärmefreisetzung. Dies kann zu Problemen im Betrieb der Zementdrehrohröfen und zu einer Minderung der Zementqualität führen.

Versuche zum Ersatz von Regelbrennstoffen sind im Originalmaßstab oft zu aufwändig und meist ist die messtechnische Zugänglichkeit stark eingeschränkt. Hier bieten 3D-Verbrennungssimulationen (CFD-Simulationen) eine effiziente Alternative. In kommerziellen Codes sind jedoch keine Modelle enthalten, welche die Beschreibung des Flugverhaltens und des Abbrands von FLUFF uneingeschränkt zulassen. Hier setzt dieser Antrag an. Durch eine Kombination aus erweiterter Brennstoffcharakterisierung und Modellbildung soll die Basis für eine verlässliche CFD-Berechnung der FLUFF-Verbrennung gelegt werden. Die Modellgüte wird dabei erstmals durch Versuche in einem messtechnisch gut zugänglichen halbtechnischen Drehrohrofen überprüft.

Das Forschungsvorhaben adressiert in erster Linie die KMU der deutschen Zementindustrie, da diese alleine nicht in der Lage sind, diese Art von Untersuchungen durchzuführen. Die Forschungsergebnisse sollen zu einer weiteren Erhöhung des FLUFF-Einsatzes beitragen, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit der Zementproduktion in Deutschland zu steigern. Das Forschungsvorhaben ist somit von hoher Bedeutung für die deutsche Zementindustrie inkl. vor- und nachgelagerte Branchen (ca. 75.000 Arbeitsplätze). Aber auch die KMU der Bereiche Brennstoffaufbereitung, CFD-Dienstleistung und Messtechnik können direkt von den Projektergebnissen profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Ersatzbrennstoffe (EBS) in Form von FLUFF (flugfähige Fraktion) werden überwiegend in der Zementindustrie zur Substitution fossiler Energieträger eingesetzt. Die im FLUFF enthaltenen grobstückigen Brennstoffpartikel zeigen ein von Regelbrennstoffen (Kohlenstaub) abweichendes Abbrandverhalten. Dies kann zu Problemen im Betrieb der Zementdrehrohröfen und zu einer Minderung der Zementqualität führen. Versuche zum Ersatz von Regelbrennstoffen sind im Originalmaßstab oft zu aufwendig und zu teuer. Hier bieten numerische 3D-Simulationen (CFD-Simulationen) eine effiziente Alternative. Doch vielen KMU ist es nicht möglich, diese Art von Untersuchungen durchzuführen. Ziel des Vorhabens ist es gewesen, CFD-Simulationsmodelle zum Flug- und Abbrandverhalten von FLUFF bereitzustellen, welche die Vorgänge in Drehrohröfen der Zementindustrie realistisch abbilden.

Hierfür wurden eine umfassende Brennstoffcharakterisierung und Versuche unter realitätsnahen Bedingungen in einem halbtechnischen Drehrohrofen durchgeführt, um die Simulationsmodelle anzupassen und zu verbessern.

In Summe wurden alle für die vorwettbewerbliche Nutzung wesentlichen Projektziele erreicht. Es steht eine in dieser Form einmalige, öffentlich zugängliche EBS-Datenbank zur Verfügung. Es liegen Widerstands- und Auftriebsbeiwerte für die komplex geformten EBS-Partikel/Fraktionen vor. Es stehen charakteristische Reaktionszeiten für EBS-Fraktionen in einem Temperaturbereich > 1000 °C zur Verfügung. Erstmals wurde ein Messdatensatz in einem halbtechnischen Drehrohr generiert, der Partikeltrajektorien für reagierende EBS-Fraktionen enthält. Die mit den gewonnenen Daten abgeglichenen Flug- und Abbrandmodelle lassen die CFD-Simulation des EBS-Abbrands zu. Dies wurde anhand der Nachrechnung des Drehrohrs nachgewiesen. Damit steht für die Auslegungs- und Betriebsoptimierung von Drehrohröfen ein valides CFD-Modell zur Verfügung.