DEM/CFD-Simulation und experimentelle Untersuchung der Transportvorgänge in Abfallverbrennungsanlagen

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Frank Wissing

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Die Deponierung unbehandelter Siedlungsabfälle stellt keine nachhaltige Entsorgung dar und ist daher in Deutschland seit 2005 nicht mehr gestattet. Durch eine thermische Abfallbehandlung können die für eine Deponierung geforderten Restkohlenstoffgehalte erreicht werden. Die Mehrzahl der thermischen Entsorgungsanlagen setzt hierbei die seit Jahrzehnten bewährte Technik der Rostfeuerung ein. Dennoch ist die Verbrennung von Materialien, die sowohl geometrisch als auch stofflich extrem heterogen sind, bis heute nur unzureichend beschrieben. Insbesondere fehlen für konventionelle CFD-Berechnungen, die den Feuerraum oberhalb des Brennbetts betrachten, verlässliche Randbedingungen an der Grenze zwischen Brennbett und Feuerraum. Eine Möglichkeit, die räumliche Verteilung der aus der Schüttung austretenden Impuls-, Wärme- und Stoffströme bereitzustellen, bietet die dreidimensionale Diskrete Elemente Methode (DEM), die in dieser Arbeit verwendet wird. Bei diesem partikelorientierten Ansatz werden sowohl die mechanische Bewegung, der Transport und die Mischung von Brennstoffobjekten als auch deren thermochemische Umwandlung auf dem Rost anhand physikalischer und thermochemischer Grundzusammenhänge numerisch beschrieben. Um die Wechselwirkung zwischen Brennbett und Feuerraum berücksichtigen zu können, wird die DEM zur strömungsmechanischen und thermischen Simulation des Feuerraums mit einem kommerziellen CFD-Modell gekoppelt. Die Plausibilität des Rostmodells wird anhand von Sensitivitätsanalysen überprüft. Zur Überprüfung der Anwendbarkeit der DEM auf reale Müllrostfeuerungen werden Simulationen von zwei Abfallverbrennungsanlagen vorgestellt. Die Ergebnisse werden hinsichtlich lokaler Strömungs- und Wärmestrahlungsfelder mit korrespondierenden Messungen verglichen.