Simulation der Stoff- und Wärmetransportvorgänge bei der Schnellpyrolyse von Lignocellulose im Doppelschneckenmischreaktor
Creators: name: Grandl, Robert
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Biomasse
Pyrolyse
mittelschnelle Pyrolyse
CFD
DEM
CFD-DEM
Schneckenreaktor
Doppelschneckenreaktor

description: Diese Arbeit betrachtet die Transportvorgänge bei der Pyrolyse von Biomasse in der PYTHON – einer Technikumsanlage mit einer maximalen Kapazität von 20 $kg\ h^{-1}$ Biomasse. Erste Untersuchungen zu dieser Thematik wurden von Kornmayer [1] durchgeführt. Im Zuge seiner Dissertation erfolgte eine Charakterisierung der Pyrolyse im Doppelschneckenmischreaktor der PYTHON-Versuchsanlage anhand eines Blackbox-Verfahrens, d.h. der Betrachtung der ein- und ausgehenden Massen- und Energieströme, ohne nähere Betrachtung der inneren Vorgänge. Daran anknüpfend betrachtet diese Arbeit die Stoff- und Energietransportvorgänge im Doppelschnecken-mischreaktor. Aufgrund der Reaktionsbedingungen von 500 $°C$, der Reaktivität der Produkte und der unbekannte Einfluss der Geometrie auf das Partikelverhalten, ist es nicht möglich komplexere Messungen am Reaktor im Betrieb durchzuführen. Aus diesem Grund wurde ein numerischer Ansatz gewählt. In einem ersten Schritt wurde das Misch- und Transportverhalten der beteiligten Feststoffpartikel im Doppelschneckenmischreaktor mittels Diskrete-Elemente-Methode untersucht. Im Vorfeld wurden mehrere Schritte zur Optimierung der Simulationsqualität unternommen. Zunächst wurde im Rahmen einer Charakterisierung von Weizenstroh die Partikeldichte, d.h. die Materialdichte inklusive Porenvolumen, die Partikelgrößenverteilung und die Partikelform ermittelt. Weitere Parameterstudien hatten die Optimierung der Reib- und Rollreibwerte zum Ziel. Darüber hinaus wurden Modelle angepasst, um den Wärmeübergang nach Schlünder [2] effektiv approximieren zu können. Unter diesen Vorbetrachtungen wurden Studien für einen Werkzeug-Froude-Bereich von 0.1 &lt; $Fr_W$ &lt; 2.0 durchgeführt. Dabei konnten Verblockungen im unteren Drehzahlbereich (&lt; 2 $rpm$) beobachtet werden. In höheren Drehzahlbereich (&gt; 3 $rpm$) konnte eine leichte Entmischung beobachtet werden. Des Weiteren ist die Verweilzeit in diesem Bereich nicht ausreichend, um den Wärmeübergang abzuschließen, sodass ein Wärmeübergang selbst am Reaktorende erkennbar war. Generell konnte beobachtet werden: je höher die Drehzahl, desto höher der Wärmeübergangskoeffizient und desto niedriger die Verweilzeit, sodass ein Wert von 2.5 $rpm$ einen guten Kompromiss darstellt. Bei allen Untersuchungen des aktuellen Aufbaus konnte eine nachteilige Rückvermischung des Wärmeträgers in den Biomasse-Transportbereich festgestellt werden. Ein Effekt, der bei vertauschter Biomasse-/Wärmeträgerzugabereihenfolge, d.h. Biomasse zu Wärmeträger, nicht beobachtet werden konnte. Vorhergehende Erkenntnisse in Bezug auf Verweilzeit, Wärmeübergang und Verblockung konnten ohne Einschränkung auf die vertauschte Zugabereihenfolge übertragen werden. Jedoch zeigte sich bei 2 $rpm$, dass der Mischeffekt des Reaktors zu schwach ausfällt, sodass sich ein kompaktes Paket bildet, das in Schlieren durch den Reaktor wandert und den Wärmeübergang auf diese Weise hemmt. Weitere Studien bzgl. des Biomasse-/Wärmeträgerverhältnisses bestätigen den zu erwartenden Sachverhalt. D.h. mit sinkendem Biomasseanteil steigt der maximale Wärmeübergangskoeffizient. Jedoch wird auch ersichtlich, dass mit sinkendem Biomasseanteil die Rückvermischung zum dominanten Effekt beim Wärmeübergang wird. D.h. Wärmeträger dringen bis in den Biomassezugabebereich und geben auf dem Weg dorthin ihre thermische Energie an die Biomasse ab, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen Biomasse und Wärmeträger sinkt. Die bisherigen Untersuchungen wurden unter Vernachlässigung der Reaktionstechnik oder der fluiden Phase unternommen. Um beide Effekte betrachten zu können, musste in die DEM-Simulation ein Reaktionsmodell implementiert und dies um die Strömungssimulation erweitert werden. Dazu wurde die inkompressible Strömungsbehandlung (cfdemSolverPiso) um die Kompressibilität erweitert und mit einem PaSR-Reaktionsmodell (Partially stirred reactor) kombiniert. Darüber hinaus wurden mehrere Methoden zur Darstellung der co-rotierenden, ineinander kämmenden Schnecken getestet. Nur ein einziges Verfahren - das Brinkmann-Strafverfahren, erfüllte die Anforderungen an Stabilität und Genauigkeit und wurde implementiert. Darüber hinaus wurde eine zweistufige Studie bzgl. der Reaktionstechnik bei der Pyrolyse von Weizenstroh durchgeführt, mit dem Ziel ein geeignetes Reaktionsnetzwerk und die dazugehörenden Parameter zu bestimmen. Dazu wurden Methoden der Parameterschätzung gewählt, um die Reaktionsparameter anhand einer TG-Analyse und die molaren Massen der Pyrolyseprodukte anhand der Verweilzeitverteilung in einem semikontinuierlichen Bach-Pyrolysereaktor, zu bestimmen. Die Modellgüte war in beiden Fällen $R^2$&gt;0.91. Aufgrund des numerischen Aufwandes wurde nur eine Simulation bei 2 $rpm$ durchgeführt. Dabei konnte ein Massen- und Energieverlust von rund 10$%$ beim Übertrag von DEM auf CFD beobachtet werden konnte. Dies ist auf eine Interaktion mit dem Brinkmann-Strafverfahren zurück zu führen. Dennoch konnte beobachtet werden, dass die Rückvermischung bis in den nicht-begleitbeheizten Biomasse-Transportbereich hineinragt und dort zu einer nachteiligen Abkühlung der Wärmeträger führt. Des Weiteren konnte ein lokaler Versatz des Wasser-Verdampfungsbereichs und des Reaktionsbereichs festgestellt werden, sodass durch eine Modifikation des Auslassbereichs Einfluss auf die Produktqualität genommen werden kann. Eine Betrachtung des Reaktionsverlaufes im Reaktor zeigt, dass die Verweilzeit nicht ausreicht, um Biomasse vollständig zu zersetzen. Weder beim thermisch stabilen Lignin, noch bei der Cellulose konnte eine wesentliche Zersetzung beobachtet werden. Eine Sensitivitätsanalyse der Reaktionskinetik, bei der Reaktionen mit konstanten Temperaturen und in einem breiten Temperaturbereich betrachtet wurden, bestätigt diese Aussage. TG-Analysen weisen Heizraten von bis zu 50 $K\ min^{-1}$ auf. Bei der Schnellpyrolyse von Biomasse können Heizraten von über 500 $K\ s^{-1}$ beobachtet werden, sodass ein abweichendes Reaktionsverhalten durch den Übertrag von TGA auf die Schnellpyrolyse nicht auszuschließen ist. Jedoch weisen die aktuellen Daten darauf hin, dass eine Verlängerung der Verweilzeit im Reaktor erforderlich ist. Diese kann aufgrund der engen optimalen Betriebsbedingungen nur durch eine Verlängerung des Reaktors erzielt werden.