Vor einem Jahr wurde im Projekt „Speed-up Algorithms for advanced simulations“ mit der Entwicklung von Berechnungsroutinen begonnen, um die Rechenzeiten von CFD Simulationen für die Simulation von Biomassekonversionsanlagen drastisch zu reduzieren. Die neu entwickelten Routinen werden dabei im Rahmen von Fallstudien hinsichtlich ihrer Eignung für Designstudien getestet.

Angebot an interessierte Unternehmen:

Interessierte Unternehmen sind ausdrücklich eingeladen als COMET-Partner mitzuwirken. Als Gegenleistung für die Finanzierungsbeiträge (Cash und Eigenleistung) werden für den Partner Fallstudien für seine Technologie durchgeführt.

Kontakt: Kai Schulze

Die numerischen Studien fokussieren dabei zum einen auf die Recheneffizienz von Partikelmodellen, welche die Erwärmung und Konversion von Biomassepartikeln in thermochemischen Anlagen (Pyrolyseanlagen, Biomassefeuerungen und Kessel, Biogas-Synthesereaktoren) beschreiben. Hier konnte bereits eine Reduktion der Berechnungszeit von 5 Wochen auf 2 Wochen erreicht werden, indem Modelle mit unterschiedlicher Detaillierungstiefe sequentiell für die Berechnung eingesetzt wurden.

Momentan arbeitet das Entwicklungsteam an Beschleunigungsmethoden für die Berechnung der Gasphasenreaktionen, die aus einem Zusammenspiel von Turbulenz und interagierenden kinetischen Reaktionen modelliert werden. Auch hier wurden unterschiedliche Modelle mit verschiedenen Detailliertheitsgrad getestet (Fig. 1) und bewertet. Darüber hinaus werden aktuell Methoden zur dynamischen Mechanismusreduktion (Abschaltung von Reaktionen mit geringer Relevanz) und Chemistry Agglomeration (Clusterung von Berechnungszellen mit ähnlichen Konzentrationen) getestet.

Fig: Vergleich von NO, NH3 und HCN Konzentrationen, sowie das TFN (Total Fixed Nitrogen) Verhältnis über die Verweilzeit für Reaktionsmechanismen mit unterschiedlicher Detaillierungstiefe in einem idealen Rührreaktor

Mechanismen:

• Gbg  … 148 Spezies / 1397 Reaktionen (schwarz);
• Li45 …   45 Spezies /   394 Reaktionen (blau);
• Li37 …   37 Spezies /   168 Reaktionen (grün);
• Li32 …   32 Spezies /   146 Reaktionen (rot);

Die Modellvalidierung erfolgt dabei in Zusammenarbeit mit der KWB Energiesysteme GmbH anhand von Designstudien für verschiedene Konzepte von Biomassefeuerungen mit dem Schwerpunkt der Reduktion von NOx. Ziel ist es, in den einzelnen Kompartimenten der Biomassefeuerung die jeweils limitierenden Faktoren der NOx Reduktion zu identifizieren um gezielte Designänderungen hin zu geringeren NOx Emissionen zu erhalten.

Das verbesserte CFD Modell wird darüber hinaus auch projektübergreifend für die Berechnung von Gaserzeugungsanlagen (Sauerstoff,- Wasserdampf Vergasung im Projekt BIO-LOOP) als auch für die Simulation von Zementbrennern oder Staubfeuerungen zum Einsatz kommen.

2024-03-13