Die Oxidation von Eisen zu verschiedenen Eisenoxiden stellt eine vielversprechende Technologie für zukünftige Systeme zur Energieumwandlung und -speicherung dar. Aufgrund seiner hohen Energiedichte, verfügbaren Vorkommen und hervorragenden Speicher- und Transporteigenschaften hat Eisen ein hohes Potenzial als kohlenstofffreier Energieträger zu dienen. Wenn die Eisenoxidation geeignet mit dem inversen Prozess der Eisenoxidreduktion aus erneuerbarer Energie kombiniert wird, lässt sich eine kohlenstofffreie Energiewirtschaft entwickeln. Die Entwicklung einer solchen Wirtschaft für industrielle Anwendungen ist aktuell noch in einem frühen Stadium, weshalb erhebliche Forschungsarbeiten notwendig sind, um die grundlegenden chemischen und physikalischen Prozesse zu verstehen. Ähnlich wie bei der Verbrennung von Kohle und Biomasse hängt die Zündung und Verbrennung von Eisen in hohem Maße vom Wärme- und Stofftransport zwischen Partikeln und Gas, spezifischen Partikeleigenschaften, der Gasphasenumgebung und der Partikelbeladung ab. Allerdings unterscheidet sich die Verbrennung von Eisen aufgrund seines Mangels an Volatilen stark von der Kohle-/Biomasse-Umsetzung, wodurch bestehende Modellierungsstrategien für die Letztere nicht ohne weitere grundlegende Analysen und Anpassungen verwendet werden können.
In diesem Teilprojekt werden direkte numerische Simulationen der Trägerphase (carrier-phase DNS, CP-DNS) von reagierenden Eisenpartikelstäuben in turbulenter Scherströmung durchgeführt, um die grundlegende Physik zu untersuchen. Die CP-DNS löst alle Skalen der turbulenten, reaktiven Strömung auf, modelliert allerdings die Grenzschichten um die Langrange’schen Partikel. In einem ersten Schritt wird der Brennvorgang eines einzelnen Partikels in laminarer Strömung simuliert und damit die Solverumgebung und Submodelle für die Eisenverbrennung validiert. Anschließend wird die Zündung und Verbrennung von Eisenpartikel-Stäuben in turbulenter Strömung für zahlreiche Bedingungen der umgebenden Gasatmosphäre im Hinblick auf Zusammensetzung, Temperatur und Partikelbeladung untersucht. Die CP-DNS verbessert unser Verständnis der grundlegenden thermo-chemischen Phänomene, die die Eisenverbrennung in turbulenten Scherströmungen bestimmen, charakterisiert die Flammenstruktur im Detail und liefert Referenzdaten für die LES-Modellierung
Dieses Teilprojekt arbeitet eng mit den Projekten unter der Leitung von C. Hasse (Numerische Untersuchung der Eisenstaub/Luft-Verbrennung), A. Scholtissek (Modellierung eisenbasierter Mikropartikel) und B. Frohnapfel (Untersuchung der Clusterbildung und der Verbrennung von Eisenpartikeln in homogener isotroper Turbulenz mittels DNS) zusammen. Weitere Synergien bestehen mit den experimentellen Studien angeführt von B. Böhm (Einzelpartikel und -stäube), A. Dreizler (laminare/turbulente Eisenstaubflammen) und D. Trimis (laminare Bunsenflammen).
Wissenschaftliche Fragen:
1. Was sind die wichtigsten Charakteristika der zeitlichen Entwicklung von Eisenpartikeln, die sich erhitzen, zünden und in einer turbulenten Strömung verbrennen?
2. Wie wird der Brennvorgang durch die umgebende Gasatmosphäre, die Eigenschaften des Partikelstaubs und der Turbulenz beeinflusst?
3. Was sind die treibenden Mechanismen der diskreten oder kontinuierlichen Stabilisierung von Eisenstaubflammen?
Einblick in die Projektergebnisse
Eine dreidimensionale CP-DNS einer reagierenden Wolke aus monodispersen Eisenpartikeln in einer turbulenten Scherschicht wurde durchgeführt [1]:
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Links: 3D Rechengebiet mit Contour der axialen Gasgeschwindigkeit und Eisenpartikeln mit der Färbung ihres Oxidationsfortschritts (schwarz: nicht oxidiert, weiss: vollständig oxidiert). Rechts: Zeitliche Entwicklung der Gastemperatur und Eisenpartikel (oben), Sauerstoffmassenbruch in der Gasphase (Mitte) und Wirbelstärke der Strömung (unten) in der x-y-Ebene bei Lz/2.
Der obere Strom der Scherschicht ist mit kalten Eisenpartikeln mit einem uniformen Durchmesser von 10 Mikrometern in Luft initialisiert, während der untere Strom aus heisser Luft besteht, die in die Gegenrichtung strömt. Mit fortschreitender Simulationszeit bildet sich eine turbulente Scherschicht aus und Partikel aus dem oberen Strom werden mit dem unteren Strom vermischt. Diese Partikel interagieren mit dem unteren Strom, erhitzen sich und beginnen ihren Oxidationsvorgang. Sobald sie eine kritische Temperatur erreichen, beginnen sie zu zünden und verbrennen, wie am lokalen Sauerstoffverbrauch und an der Zunahme der Gastemperatur zu erkennen ist.
Die Anzahl der Kontrollvolumina der CP-DNS ist ca. 85 Millionen, ca. 5 Millionen Partikel werden verwendet und die Rechenzeit der Simulation entspricht ca. 165.225 CPU-Stunden. Die Studie zeigt, dass der wesentliche Unterschied zwischen nicht-volatilen Eisenstaubflammen und volatilenhaltigen Feststoffflammen (z.B. Kohle/Biomasse) die verbleibenden (Oxid-)Partikel am Ende der Simulation und ein stärker limitierender Effekt des lokalen Sauerstoffgehalts auf den Gesamtumsatz in Eisenstaubflammen ist [1].
Referenzen
[1] Luu, T.D., Shamooni, A., Kronenburg, A. et al. „Carrier-Phase DNS of Ignition and Combustion of Iron Particles in a Turbulent Mixing Layer“. Flow Turbulence Combust (2024).
