Numerische Simulationen von turbulenten Mehrphasenströmungen mit Zerstäubung und Sprays

CO2 aus den Rauchgasen eines Drehrohrofens in der Zementindustrie (CO2: 25 Vol.-%) wird für die Herstellung von Chemikalien mit hohem Mehrwert (Säurezusätze für Zementrezepturen) und Materialien (CaCO3-Nanopartikel zur Verwendung als Betonfüllstoffe) verwendet. Mit anderen Worten, es wird ein Kreislaufwirtschaftskonzept eingeführt, bei dem das bei der Zementherstellung anfallende CO2 zu einem erheblichen Teil in der Anlage selbst wiederverwendet wird, um bessere zementbezogene Produkte herzustellen, was zu einer Verringerung der Energieintensität und der damit verbundenen CO2-Emissionen durch einen quadratischen Effekt führt.

Ionische Flüssigkeiten (mit oder ohne Aminfunktionalität) werden die wichtigste technologische Spielwiese für die effiziente und kostengünstige (<30 €/Tonne) Reinigung von CO2 auf einen Reinheitsgrad sein, der für die oben genannten Verwendungszwecke ausreicht. Es wird eine spezielle Pilotanlage (Rauchgasdurchsatz: 50 Nm3/h) entwickelt, die auf der wissensbasierten Auswahl der besten Zusammensetzung der ionischen Flüssigkeiten und der Betriebsbedingungen beruht.

Im Rahmen einer abschließenden TRL 6-Demokampagne für ein integriertes System wird das so gewonnene CO2 parallel genutzt, um:

  • Förderung der Ausfällung von Nano-CaCO3-Pulvern, die als Festigkeitsverstärker und Beschleuniger der Hydratationsrate wirken.
  • Synthese von Ameisensäure, Oxalsäure und Glycin auf elektrokatalytischem und katalytischem Weg, die als Beschleuniger der Aushärtung, als Schleifhilfsmittel bzw. als Zusatz zu ionischen Flüssigkeiten verwendet werden können.

Der RECODE-Ansatz zeichnet sich durch eine hohe Prozessintensivierung und Scale-up-Fähigkeit, die Nutzung minderwertiger Wärmequellen, eine erhebliche Verringerung der CO2-Emissionen (>20 % unter Berücksichtigung der direkten und indirekten Mittel) und das gute Marktpotenzial ihrer Produkte im Massenproduktionsmaßstab aus.

Das EBIvbt am KIT wird das Projekt unterstützen, indem es die simultane Kompressions-Auflösungseinheit entwickelt, die für die Auflösung des CO2in einer ionischen Flüssigkeit. Die experimentellen Untersuchungen werden ein breites Spektrum an Aktivitäten umfassen, darunter die Sprühcharakteristik bei verschiedenen Drücken, die Ermittlung des optimalen Bewegungsprofils für den Kolben (um eine maximale Energieeffizienz zu erreichen) sowie die Konstruktion und den Bau eines voll funktionsfähigen Prüfstands.

Andererseits wird das EBIvbt am KIT auch die simultane Kompressions-Auflösungseinheit mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik modellieren. Das Modell wird sowohl den Eulerschen Ansatz (insbesondere die VOF-Methode) für die Modellierung von Mehrphasenströmungen als auch den Lagrangeschen Ansatz für die Berechnung von Sprays kombinieren. Ersterer eignet sich für Szenarien, in denen die genaue Modellierung der Flüssigkeitsströme (Bewegung/Verformung des Flüssigkeitsfilms) von Interesse ist, während letzterer für Fälle geeignet ist, in denen eine große Anzahl von Flüssigkeitströpfchen beteiligt ist. Diese Kombination wird von einer angemessenen Rechenzeit und Genauigkeit der Simulationen profitieren. Das hybride Modell berücksichtigt eine einseitige Umwandlung von Lagrangeschen Teilchen in VOF, wodurch der Effekt der Filmbildung beim Aufprall der Flüssigkeitströpfchen auf die Wände des zylindrischen Behälters erfasst wird. Die Bewegung des Kolbens während der Kompression wird durch eine dynamische Netztechnik berücksichtigt. Der Auflösungsprozess wird mit der Methode des kontinuierlichen Speziestransfers (CST) modelliert. Die Methode löst eine zusätzliche Transportgleichung (PDE) für die Konzentration von CO2in der gasförmigen und flüssigen Phase. Darüber hinaus wird sie das Henry'sche Gesetz zur Berechnung der Menge des gelösten Gases an der Grenzfläche verwenden.

Publikationsliste


Experimental and numerical investigations of a high-power density sulphur burner.
Fedoryk, M.; Zhang, F.; Heidarifatasmi, H.; Sebbar, N.; Harth, S.; Trimis, D.
2020. 12th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers (INFUB-12) : 10th and 11th November 2020
Numerical evaluation of a novel double-concentric swirl burner for sulfur combustion.
Zhang, F.; Heidarifatasmi, H.; Harth, S.; Zirwes, T.; Wang, R.; Fedoryk, M.; Sebbar, N.; Habisreuther, P.; Trimis, D.; Bockhorn, H.
2020. Renewable & sustainable energy reviews, 133, Art. Nr.: 110257. doi:10.1016/j.rser.2020.110257
Numerical Investigation of a Sulfur Combustor.
Zhang, F.; Heidarifatasmi, H.; Harth, S.; Zirwes, T.; Fedoryk, M.; Sebbar, N.; Habisreuther, P.; Trimis, D.; Bockhorn, H.
2019. 29. Deutscher Flammentag (2019), Bochum, Deutschland, 17.–18. September 2019
Numerical simulation of sulfur combustors with high-power-density [in press].
Zhang, F.; Heidarifatasmi, H.; Zirwes, T.; Fedoryk, M.; Harth, S.; Sebbar, N.; Habisreuther, P.; Trimis, D.; Bockhorn, H.
2019. 9th European Combustion Meeting (ECM), Lissabon, Portugal, 14 - 17 April 2019
Numerical simulation of sulfur combustors with high-power-density.
Zhang, F.; Heidarifatasmi, H.; Zirwes, T.; Fedoryk, M.; Harth, S.; Sebbar, N.; Habisreuther, P.; Trimis, D.; Bockhorn, H.
2019. 9th European Combustion Meeting (ECM 2019), Lissabon, Portugal, 14.–17. April 2019
Entwicklung von Schwefelbrennern mit hohen Leistungsdichten.
Fedoryk, M.; Zhang, F.; Heidarifatasmi, H.; Zirwes, T.; Sebbar, N.; Harth, S.; Trimis, D.
2019. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe "Hochtemperaturtechnik" (2019), Karlsruhe, Deutschland, 2.–3. April 2019
Numerische Untersuchung eines Schwefelverbrennungssystem.
Zhang, F.; Heidarifatasmi, H.; Harth, S.; Zirwes, T.; Sebbar, N.; Fedoryk, M.; Trimis, D.
2019. 29. Deutscher Flammentag (2019), Bochum, Deutschland, 17.–18. September 2019
Sulfur combustion as closing step in a sulfur based solar-thermal cycle.
Sebbar, N.; Harth, S.; Fedoryk, M.; Heidarifatasmi, H.; Zhang, F.; Bozzelli, J. W.; Bockhorn, H.; Trimis, D.
2019. 1st Conference on smart energy carriers (2019), Napoli, Italien, 21.–23. Januar 2019