Modellierung der Reaktions-Transport-Kopplung für einzelne, eisenbasierte Mikropartikel bei thermo-chemischer Reduktion/Oxidation

In diesem Projekt wird ein detailliertes Einzelpartikelmodell für die thermochemische Konversion (Reduktion und Oxidation) von eisenbasierten Mikropartikeln entwickelt, um ratenbestimmende Prozesse in Abhängigkeit von den folgenden Einflussfaktoren zu identifizieren und zu modellieren: Umgebungsbedingungen (Temperatur, Zusammensetzung der Gasatmosphäre) und Partikeleigenschaften (Partikelgröße, Porosität, etc.).

Bei der thermo-chemischen Reduktion werden poröse Mikropartikel aus Eisenoxiden mit grünem Wasserstoff zu porösen Mikropartikeln aus reinem Eisen reduziert. Die thermochemische Oxidation der Eisenpartikel mit Luftsauerstoff zu Eisenoxidpartikeln stellt den komplementären Prozess dar und schließt den Kreislauf. Für Reduktion und Oxidation müssen die Reaktionen und ihre Kopplung an Transportprozesse zunächst für einzelne Partikel verstanden werden, da sowohl der Wärme- und Stofftransport zwischen Partikeln und umgebender Gasphase als auch die Kinetik der heterogenen Oberflächenreaktion potenziell ratenbestimmende Prozesse sein können. Beide werden stark von den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Zusammensetzung der Gasatmosphäre) und den Partikeleigenschaften (Partikelgröße, Porosität, etc.) beeinflusst.

In diesem Projekt soll ein detailliertes Einzelpartikelmodell für die thermochemische Konversion (Reduktion und Oxidation) von eisenbasierten Mikropartikeln entwickelt werden, um ratenbestimmende Prozesse in Abhängigkeit von den o. g. Einflussfaktoren zu identifizieren und zu modellieren. Hierfür müssen die experimentellen Ergebnisse, insbesondere die heterogene Oberflächenkinetik, in das Partikelmodell integriert werden. Die Entwicklung der Partikelstruktur (Oxidationsgrad, Porositätsentwicklung) ist bei Reduktion und Oxidation grundsätzlich gegenläufig, kann aber mathematisch nahezu analog beschrieben werden. Da die Partikel beide Prozesse abwechselnd und wiederholt durchlaufen, ist der Endzustand des einen Prozesses der Anfangszustand des anderen.

Wissenschaftliche Fragestellung:

  • Wie verhalten sich die Gesamtreduktion bzw. der Gesamtoxidationsgrad und die Verteilung der Oxidationsstufen im Partikel in Abhängigkeit von der Zeit?
  • Welche Verweilzeit ist erforderlich, um Eisenoxidpartikel in verschiedenen wasserstoffreichen Reduktionsatmosphären vollständig zu Eisenpartikeln zu reduzieren?
  • Welche kinetischen Parameter beeinflussen die Zündverzugszeit und die Abbrandrate, d.h. die Zeit für die vollständige Oxidation, bei der thermochemischen Oxidation?
  • Wie groß ist die Unsicherheit der Zündverzugszeit und der Abbrandrate aufgrund von Grenzen der Messgenauigkeit?

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