Thermochemische Reduktion/Oxidation in Wirbelschichten

Thermochemische Reduktion

In Wirbelschichten kommt es zu einer starken Kopplung der kinetischen Prozesse mit der komplexen Hydrodynamik der Gas-/Partikelströmung (Gasblasen bzw. Partikelcluster). Somit können technisch relevante Strömungsbedingungen betrachtet werden. In den Untersuchungen wird schrittweise die Komplexität erhöht. Als erster Schritt wird an einem Wirbelschicht-Kaltmodell die Hydrodynamik, d. h. der Einfluss von Geschwindigkeit, Partikelgröße und Oxidationsstufe bzw. Partikelmorphologie auf die Strömungsstruktur (Messungen mittels kapazitiver Sonde) bestimmt. Im zweiten Schritt erfolgt die Kopplung von Reduktionsreaktionen und Hydrodynamik. In einem elektrisch beheizten Wirbelschichtreaktor wird der Einfluss von Temperatur, Geschwindigkeit, Atmosphäre und Partikelgröße auf die Konversion bestimmt (Messung der Konzentrationen von Wasserstoff und Wasserdampf im Abgas). Die Eigenschaften der Partikel werden mittels festkörperanalytischer Methoden auf ihre Kristallinität, Oxidationszahl und Porosität untersucht. Diese experimentellen Untersuchungen dienen insbesondere auch zur Validierung der hydrodynamischen und kinetischen Modelle, die in CFD-Simulationen unter Nutzung der Diskrete-Elemente-Methode durchgeführt werden.

Ab dem Jahr 2024 wird die thermochemische Direktreduktion von Eisenoxiden unter den Bedingungen eines semitechnischen Wirbelschichtreaktors untersucht. Dies erfordert einen kontinuierlichen, autothermen Betrieb (ohne elektrische Beheizung) des Reaktors mit einem ausreichend großen Durchmesser, sodass der Umsatz nicht durch Wandeffekte dominiert wird. Hierzu werden Experimente an der 1-MWth-Versuchsanlage bestehend aus zwei gekoppelten Wirbelschichtreaktoren (Oxidations- und Reduktionsreaktor) durchgeführt. Im Reduktionsreaktor werden die Strömungsstruktur (mittels kapazitiver Sonde) und Konversion (H₂- bzw. H₂O Konzentration) gemessen. Die eingesetzte Festkörperanalytik erfolgt wie bei den Untersuchungen in kleinerem Maßstab. Auch für die semitechnische Skala werden CFD-Simulationen durchgeführt, die wiederum Ausgangspunkt für die Modellreduktion in Forschungsfeld 3 sind.

Thermochemische Oxidation

In einem elektrisch beheizten Wirbelschichtreaktor im Labormaßstab werden die Einflüsse von Temperatur, Geschwindigkeit, Atmosphäre und Partikelgröße auf die Konversion durch Messung der Sauerstoffkonzentrationen im Abgas bestimmt. Die Eigenschaften der Partikel werden mittels festkörperanalytischer Methoden auf ihre Kristallinität, Oxidationszahl und Porosität untersucht. Zur Validierung der hydrodynamischen und kinetischen Modelle werden CFD-Simulationen der Versuche mittels Diskrete-Elemente-Methode durchgeführt.

Im Jahr 2024 sollen an der 1-MWth-Versuchsanlage an der TU Darmstadt, bestehend aus zwei gekoppelten Wirbelschichtreaktoren (Oxidations- und Reduktionsreaktor), großskalige Experimente durchgeführt werden. Im Oxidationsreaktor werden die Strömungsstruktur (mittels kapazitiver Sonde) und Konversion (Sauerstoffkonzentration) gemessen. Die experimentelle und numerische Methodik ist analog zu den Methoden in der Laborwirbelschicht. Durch diese Untersuchungen sollen die Ergebnisse und Erkenntnisse aus Forschungsfeld 1 und Forschungsfeld 2 hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf die semitechnische Ebene bewertet werden.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Experimentelle Untersuchungen:

• Auswertung der Hydrodynamik in einem Wirbelschicht-Kaltmodell
• Bewertung der reaktiven Strömung in einer elektrisch beheizten Wirbelschicht
• Experimente in einem halbindustriellen 1 MWth Wirbelschichtreaktor

Messungen:

• Partikellast/Geschwindigkeit mit einer Kapazitätssonde
• Gaszusammensetzung (H₂, H₂O, O₂, etc.)
• Partikelgröße/Zusammensetzung

Modellierung:

• Simulation der Gas-/Partikelströmung mit Diskrete-Elemente-Methode
• Validierung durch experimentelle Daten