Erweiterung der diskreten Elemente-Methode zur Simulation bewegter und reagierender Feststoffschüttungen mit der Anwendung auf Rostfeuerungssysteme

Für die Auslegung und Optimierung technischer Feuerungen, wie z. B. Müllverbrennungsanlagen, haben numerische Methoden in der Vergangenheit immer mehr an Bedeutung gewonnen. Heutzutage sind sie weitgehend etablierte Werkzeuge, die eine kostengünstige Alternative zu aufwendigen messtechnischen Untersuchungen darstellen. Darüber hinaus können viele Größen anhand von Messungen nicht ermittelt werden, sodass für deren Abschätzung nur numerische Methoden infrage kommen. Diese Arbeit stellt eine numerische Berechnungsmethode für die Simulation von bewegten und reagierenden Feststoffschüttungen vor. Grundlage der numerischen Beschreibung bildet die Diskrete Elemente Methode (DEM), bei der die Bewegung einer Vielzahl von Einzelobjekten anhand ihrer Interaktion untereinander und mit den umliegenden (bewegten) Wänden erfolgt. Diese Methode wird hinsichtlich der Bewegungsbeschreibung erweitert, sodass das komplexe Bewegungsverhalten von Hausmüll auf einem Rost mit Hilfe eines rechenzeitoptimierten Modells beschrieben werden kann. Zusätzlich werden Modelle zur Beschreibung der Wärmeübertragung in reagierenden gasdurchströmten Schüttungen sowie zur Modellierung der thermochemischen Prozesse (Trocknung, Pyrolyse und heterogene Restkoksverbrennung) gegenüber der klassischen DEM ergänzt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf den erweiternden Modellen für die Beschreibung des Bewegungsverhaltens von Hausmüll (Kohäsionsmodell) und den Modellen für die Wärmeübertragung und die thermochemischen Prozesse. Dabei werden insbesondere die Modelle der Wärmeleitung innerhalb von Partikeln und die heterogene Restkoksverbrennung detailliert vorgestellt. Für die Simulation der Gasphase in dem Feuerraum einer Müllverbrennungsanlage wird die erweiterte Diskrete Elemente Methode mit einem CFD-Modell bidirektional gekoppelt. In eine Richtung werden Stoff- und Energieströme von der Rostsimulation (erweiterte DEM) für das Feuerraummodell (CFD) bereitgestellt. In die andere Richtung werden die Strahlungswärmeströme des Feuerraummodells auf die Müllbettoberfläche an das Rostmodell übergeben. Zur Überprüfung des Modells werden Simulationen zur Wärmeübertragung sowie zum Abbrand von ruhenden Schüttungen durchgeführt und mit Messwerten aus der Literatur verglichen. Schließlich werden Simulationen von großtechnischen Müllverbrennungsanlagen vorgestellt. Hier findet ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Ergebnissen einer Messkampagne statt, die von der „Hitachi Zosen Inova AG“ bereitgestellt wurden.