Transferprojekte

Einsatz elektrohydrodynamisch getriebener Strömungen zur erweiterten Nutzung von Elektroabscheidern (EFRE-STAF-Projekt mit Prof. Riebel):

Der Elektroabscheider ist weit verbreitet im Einsatz, um Abgase von Stäuben bzw. Aerosolen zu befreien oder um Produkte aus Gasströmungen abzuscheiden, da sich Partikeln im (Sub-) Mikro­meterbereich (<10 µm) mithilfe des Elektroabscheiders besonders energieeffizient und wirtschaftlich abscheiden lassen. Neben Großanlagen (Kraftwerke, Zementwerke, Stahlwerke, Müllverbrennungsanlagen) werden Elektroabscheider auch zunehmend zur Abscheidung von chemischen Produkten oder Nahrungsmitteln nach einer Sprühtrocknung eingesetzt. Neue, rasch wachsende Einsatzbereiche sind die Abgas­reinigung von vergleichsweise kleinen Volumenströmen bei der energetischen Biomassenutzung und die Reinigung von Pyrolysegasen (aus Biomasse, Sekundärrohstoffen) für die nachfolgende Verstromung, oder die Nutzung als Synthesegas.

Durch das Zusammentreffen von hohen elektrischen Feldstärken mit einer großen elektrischen Raumladung (Ionen und elektrisch geladene Staubteilchen) bildet sich im Elektroabscheider eine starke, elektrohydrodynamische Strömung, der sog. „elektrische Wind“, aus. Grundsätzlich ist bereits bekannt, dass der elektrische Wind zu einer starken (2- bis 10-fachen) Erhöhung des Wärme- und Stoffübergangs führt. Daher wäre es technisch interessant, zusätzliche Prozesse, die einen guten Wärme- und Stoffübergang erfordern (z.B. Wärmetauscher, Gaswäschen, katalytische Abgasreinigung), in den Elektroabscheider zu integrieren und somit Elektroabscheider mit einer erweiterten Nutzung zu entwickeln. Im Einzelfall konnte bereits gezeigt werden, dass hiermit technisch und wirtschaftlich interessante Lösungen zu erreichen sind. Eine breite Anwendung findet jedoch bisher nicht statt, da die Grundlagen für eine zuverlässige Auslegung solcher integrierter Prozesse völlig fehlen, und das wirtschaftliche Risiko im Falle einer Fehlauslegung sehr hoch ist.

Ziel des Projektes ist es daher, interdisziplinär die Grundlagen für eine zuverlässige simulationsbasierte Auslegung von Elektroabscheidern mit erweitertem Nutzen zu schaffen. Die etablierten Ansätze zur Strömungsmodellierung und die darauf aufbauenden Simulationsprogramme zur Strömungssimulation (z.B. FLUENT, OpenFOAM, Comsol Multiphysics) sind jedoch von Ansatz her zunächst nicht geeignet die Entstehung der elektrohydrodynamischen Strömungen und ihr Zusammenwirken mit dem Wärme- und Stoffübergang zu modellieren. Vielmehr ist von Seiten der Strömungsmodellierung ein Ansatz erforderlich, der geeignet ist die Turbulenzentstehung in einer instabil geschichteten Strömung zu beschreiben.

Ein solcher Ansatz ist neuerdings in Form der ODT-Modelle (One-Dimensional Turbulence) in Entwicklung. Der Lehrstuhl für numerische Strömungs- und Gasdynamik (NSG) ist maßgeblich an der Entwicklung der ODT-Modelle beteiligt und kann diese in der erforderlichen Weise anpassen und erweitern, um eine Anwendung auf den elektrischen Wind zu ermöglichen. Aus der Sicht des LS NSG sind die elektrohydrodynamischen Strömungen ein neuer, interessanter Testfall für den neuen Model­lierungs­ansatz. Der LS Mechanische Verfahrenstechnik (MVT) ist in der Lage, die für die Verifikation der Modelle erforderlichen Experimente durchzuführen und interessiert sich für die Weiterentwicklung und Anwendung der ODT-Modelle für technische Anwendungen im Bereich des Elektroabscheiders. Beide Partner hoffen, durch die Zusammenarbeit eine weltweite Alleinstellungsposition zu erreichen.

Im Anhang sind mehrere Technologiebeispiele dargestellt, die sich im Rahmen dieses Innovationsvorhabens neu entwickeln lassen. Sie stellen eine ressourcen- und investitionskostensparende Alternative gegenüber der momentan im Einsatz befindlichen Technik dar. Darüber hinaus reduziert die Kopplung elektrostatischer Abscheidung mit anderen zur Gasreinigung notwendigen Prozessschritten die Betriebs- und Wartungskosten. Die aufgrund des kompakteren Anlagendesignsgewonnene Platzersparnis, macht diese Anlagen aber auch in Ballungsräumen und großen Städten attraktiv.

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